pdf-download - Universität des Saarlandes

Allgemeine Chemie
für Studierende mit Nebenfach Chemie
Andreas Rammo
Allgemeine und Anorganische Chemie
Universität des Saarlandes
E-Mail: [email protected]
Copyright Hinweis
Alle elektronischen Unterlagen zu dieser Vorlesung sind ausschließlich
für das eigene Studium bestimmt und dürfen nicht weitergegeben,
reproduziert oder in anderen Dokumenten verwendet werden.
Auch wenn nicht ausdrücklich gekennzeichnet, können einzelne
Abbildungen aus copyright geschützten Quellen stammen.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
2
Lehrbücher
• allgemeine chemische und physikalisch-chemische
Grundlagen sowie das Grundwissen über anorganische
und organische Chemie, Biochemie und Kernchemie
• leicht verständlich und gut lesbar
• 35 didaktisch aufbereitete Kapitel zu allgemein
chemischen und physikalisch-chemischen Grundlagen
• anschaulich und übersichtlich gestaltet
• Glossar zu jedem Kapitel
• Komplett vierfarbig
• Beispiele zur Veranschaulichung von
Rechenverfahren, Übungsaufgaben mit Lösungen zur
Selbstkontrolle, Lösungswege im Internet abrufbar
Charles E. Mortimer, Ulrich
Müller, Chemie, Georg Thieme
Verlag, 2010
• aufklappbares Periodensystem
• Kapitel zum Umgang mit Gefahrstoffen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
3
Lehrbücher
• chemische Querverbindungen zwischen den
Grundlagen und technologischen Anwendungen
• Alltagschemie in diesem Buch eine besondere Rolle:
Der Student soll die Bedeutung von grundlegenden
chemischen Vorgängen für den Menschen im
Allgemeinen und dem Ingenieur im Besonderen
nachvollziehen lernen.
• einleitende Fragestellungen und praktische Beispiele
am Kapitelbeginn
• Lösungsvorschläge, welche die Chemie zu
Problemstellungen anbieten kann
• jedes Kapitel schließt mit einer Zusammenfassung
der wichtigsten Begriffe und Definitionen
Guido Kickelbick, Chemie für
Ingenieure, Pearson Verlag,
2008
• Übungsaufgaben und reflektierende Fragen
• Glossar mit zentralen Fachbegriffen und
Erläuterungen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
4
Lehrbücher
Chemie - Studieren kompakt
• Lehrstoff wird wissenschaftlich präzise,
stilistisch klar und leicht verständlich
präsentiert
• zahlreiche Bezüge zum Alltag
• schöne und übersichtliche grafische
Aufbereitung
• Anschauungsmaterial auf der Companion
Website
• Übungsaufgaben online gestellt
Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay,
Bruce E. Bursten, Chemie – Studieren
kompakt, Pearson Verlag, 2011
Chemie - Prüfungstraining:
Übungsaufgaben mit Lösungen
Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay,
Bruce E. Bursten, ChemiePrüfungstraining, Pearson Verlag, 2011
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
5
Allgemeines – Vorlesungszeiten, Klausuren
großer Hörsaal der Chemie, Gebäude C4.3
Vorlesungen mit Übungen:
montags: 14.15 - 15.45 Uhr (Doppelstunde)
mittwochs: 12.15 - 13.45 Uhr (Doppelstunde)
donnerstags: 08.30 - 09.15 Uhr
Bei den Klausuren sind folgende Hilfsmittel erlaubt:
- Schreibutensilien
- Taschenrechner
- iPhones und Handys sind nicht erlaubt und müssen
ausgeschaltet sein!
Nicht vergessen: Studentenausweis!
!
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
1.Klausurtermin:
07.12.16
12.15 – 13.45 Uhr
!
6
Allgemeines – E-Learning Plattform
Informationen zu den Vorlesungen werden am „schwarzen Brett“ von Prof.
Scheschkewitz im Foyer der Chemie bekannt gegeben oder sind einsehbar im
Internet unter:
http://www.uni-saarland.de/fak8/scheschkewitz/html/student_page.html
Hier:
• können Folien der Vorlesung als pdf-Files heruntergeladen werden.
• werden Klausurergebnisse bekannt gegeben.
• werden Beispielklausuren eingestellt.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
7
Vorlesungsgliederung
1. Materie, Stoff, Verbindung, Element
2. Aufbau der Atome
3. Aufbau des Periodensystems
4. Theorie der chemischen Bindung
5. Chemische Reaktion
6. Chemische Gleichgewichte
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
8
Was ist Chemie?
Chemie
Physik
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
9
Was ist Chemie?
Chemie
Physik
Definition Chemie:
Definition Physik:
Chemie ist die Lehre
vom Aufbau, Verhalten
und der Umwandlung
von Stoffen sowie den
dabei geltenden Gesetzmäßigkeiten.
Die Physik ist die Lehre von den
Eigenschaften und Zustandsformen
sowie den Bewegungen der
unbelebten Materie, den diese
Bewegungen hervorrufenden Kräften oder Wechselwirkungen und
den dabei wirkenden Gesetzmäßigkeiten.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
10
Was ist Chemie?
Chemie
Physik
Bei
einer
chemischen
Reaktion entsteht ein neuer
Stoff mit anderen Eigenschaften (z.B. Farbe).
Dabei entsteht aus einem
oder mehreren „Edukten“
ein
oder
mehrere
„Produkte“.
Bei einem physikalischen Vorgang bleiben die Eigenschaften
eines
Stoffes
erhalten.
Lediglich
eine
Zustandsänderung tritt ein, z.B. die
äußere Form eines Stoffes
oder sein Aggregatzustand
ändern sich.
Bsp.:
Bsp.:
Wasserstoff + Sauerstoff  Wasser
Verformen eines Metalls
Aggregatzustand: Er bezeichnet qualitativ verschiedene, temperatur- und druckabhängige
physikalische Zustände von Stoffen (fest, flüssig, gasförmig, kristallin, amorph).
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
11
Fachgebiete der Chemie
Allgemeine
Chemie
Organische
Chemie
Physikalische
Chemie
Anorganische
Chemie
Chemie
Analytische
Chemie
Technische
Chemie
Biochemie
Kernchemie
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
12
Gesetz der Erhaltung der Masse
Antoine Lavoisier: Begründer der modernen Chemie
Zerlegung von Quecksilberoxid
Quecksilberoxid
Sauerstoff
Quecksilber
Antoine Lavoisier,
1743 - 1794
Gesetz der Erhaltung der Masse:
Bei chemischen Reaktionen ist die Summe aller Massen der
Ausgangsstoffe genau gleich groß wie die Summe der Massen aller
Endstoffe.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
13
Elemente, Verbindungen, Gemische
Zerlegung von Quecksilberoxid
Quecksilberoxid
Sauerstoff
Quecksilber
Quecksilberoxid
Sauerstoff
Quecksilberoxid
Quecksilberoxid
Quecksilber
A. Lavoisier:
Verbindung: lässt
sich weiter zerlegen.
Element: lässt sich
NICHT weiter zerlegen.
(Robert Boyle, 1661)
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
14
Klassifizierung der Stoffe
Heterogene Gemische:
Veränderliche Zusammensetzung aus
erkennbar unterschiedlichen Teilchen
Materie
Homogene Stoffe:
Heterogene
Gemische
Physikalische Trennung
Homogene
Stoffe
Veränderliche Zusammensetzung aber
einheitliches Aussehen
Homogene Gemische:
Homogene
Gemische
Physikalische Trennung
Homogene Gemische reiner Stoffe
(veränderliche Zusammensetzung)
Reine Stoffe
Reine Stoffe:
Aus Elementen oder Verbindungen
aufgebaut (feste Zusammensetzung)
Verbindungen
Chemische Trennung
Elemente
Verbindungen:
Aus verschiedenen Elementen in
definierte Zusammensetzung
aufgebaut.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
15
Beispiele für heterogene Gemische
Glitter make up
Hefe-Weizenbier
Müsli
Gummibärchen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
16
Klassifizierung der Stoffe
Heterogene Gemische:
Veränderliche Zusammensetzung aus
erkennbar unterschiedlichen Teilchen
Materie
Homogene Stoffe:
Heterogene
Gemische
Physikalische Trennung
Homogene
Stoffe
Veränderliche Zusammensetzung aber
einheitliches Aussehen
Homogene Gemische:
Homogene
Gemische
Physikalische Trennung
Homogene Gemische reiner Stoffe
(veränderliche Zusammensetzung)
Reine Stoffe
Reine Stoffe:
Aus Elementen oder Verbindungen
aufgebaut (feste Zusammensetzung)
Verbindungen
Chemische Trennung
Elemente
Verbindungen:
Aus verschiedenen Elementen in
definierte Zusammensetzung
aufgebaut.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
17
Homogene Gemische - Beispiele
Gasgemische:
Lösungen:
- feste Lösungen
- flüssige Lösungen
- gelöste Gase in Flüssigkeiten
Legierung = feste Lösung
Bronze (Kupfer ≥ 60%)
Messing (Kupfer/Zink)
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
18
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand
Bezeichnung
Beispiele
fest - fest
festes Sol
Granit
fest – flüssig
feste Emulsion
Butter
fest - gasförmig
fester, kolloidaler
Schaum
Bimsstein
flüssig – fest
kolloidale Lösung
Malerfarbe
flüssig – flüssig
Emulsion
Milch
flüssig –gasförmig
Schaum
Seifenschaum
gasförmig – fest
Rauch
Aerosol
gasförmig - flüssig
Nebel
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
19
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand
Bezeichnung
Beispiele
fest - fest
festes Sol
Granit
fest – flüssig
feste Emulsion
Butter
fest - gasförmig
fester, kolloidaler
Schaum
Bimsstein
flüssig – fest
kolloidale Lösung
Malerfarbe
flüssig – flüssig
Emulsion
Milch
flüssig –gasförmig
Schaum
Seifenschaum
gasförmig – fest
Rauch
Aerosol
gasförmig - flüssig
Nebel
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
20
Festes Sol - Granit
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
21
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand
Bezeichnung
Beispiele
fest - fest
festes Sol
Granit
fest – flüssig
feste Emulsion
Butter
fest - gasförmig
fester, kolloidaler
Schaum
Bimsstein
flüssig – fest
kolloidale Lösung
Malerfarbe
flüssig – flüssig
Emulsion
Milch
flüssig –gasförmig
Schaum
Seifenschaum
gasförmig – fest
Rauch
Aerosol
gasförmig - flüssig
Nebel
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
22
Herstellung von Margarine
Katalytische Hydrierung
Bei Bio-Margarinen dürfen keine chemischen Verfahren eingesetzt werden. Die
Streichfähigkeit wird stattdessen auf physikalischem Weg durch Kälteprozesse oder
durch die Beimischung fester Fette (z. Bsp. Palmfett) erzeugt.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
23
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand
Bezeichnung
Beispiele
fest - fest
festes Sol
Granit
fest – flüssig
feste Emulsion
Butter
fest - gasförmig
fester, kolloidaler
Schaum
Bimsstein
flüssig – fest
kolloidale Lösung
Malerfarbe
flüssig – flüssig
Emulsion
Milch
flüssig –gasförmig
Schaum
Seifenschaum
gasförmig – fest
Rauch
Aerosol
gasförmig - flüssig
Nebel
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
24
Kolloidaler Schaum - Bimsstein
Bimsstein: fester, kolloidaler Schaum Sol (fest-gasförmig)
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
25
Kolloidaler Schaum - Styropor
Styropor: fester, kolloidaler Schaum Sol (fest-gasförmig)
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
26
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand
Bezeichnung
Beispiele
fest - fest
festes Sol
Granit
fest – flüssig
feste Emulsion
Butter
fest - gasförmig
fester, kolloidaler
Schaum
Bimsstein
flüssig – fest
kolloidale Lösung
Malerfarbe
flüssig – flüssig
Emulsion
Milch
flüssig –gasförmig
Schaum
Seifenschaum
gasförmig – fest
Rauch
Aerosol
gasförmig - flüssig
Nebel
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
27
Kolloidale Lösung - Malerfarbe
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
28
Klassifizierung heterogener Gemische
Kolloide:
Kolloide sind Teilchen oder Tröpfchen, die in einem anderen Medium (Feststoff, Gas
oder Flüssigkeit), dem Dispersionsmedium, fein verteilt sind. Das einzelne Kolloid
ist typischerweise zwischen 1 nm und 1 µm groß.
Einteilung der dispersen Phase nach ihrer Teilchengröße:
Bezeichnung
Teilchengröße
Beispiel
molekular dispers gelöst
< 1 nm
echte Lösung, fluide
Phasen
kolloid dispers gelöst
1 nm - 1μm
Proteinlösungen
grob dispers gelöst
> 1μm
Milchfettkügelchen
Tyndall-Effekt:
Streuung von Licht an submikroskopischen Schwebeteilchen, mit Abmessungen
ähnlich der Lichtwellenlänge, die in einer Flüssigkeit oder einem Gas suspendiert
sind.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
29
Tyndall-Effekt
NaCl-Lösung
Tensidlösung
Anwendung des Tyndall-Effekts in optischen Rauchmeldern.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
30
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand
Bezeichnung
Beispiele
fest - fest
festes Sol
Granit
fest – flüssig
feste Emulsion
Butter
fest - gasförmig
fester, kolloidaler
Schaum
Bimsstein
flüssig – fest
kolloidale Lösung
Malerfarbe
flüssig – flüssig
Emulsion
Milch
flüssig –gasförmig
Schaum
Seifenschaum
gasförmig – fest
Rauch
Aerosol
gasförmig - flüssig
Nebel
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
31
Emulsion - Milch
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
32
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand
Bezeichnung
Beispiele
fest - fest
festes Sol
Granit
fest – flüssig
feste Emulsion
Butter
fest - gasförmig
fester, kolloidaler
Schaum
Bimsstein
flüssig – fest
kolloidale Lösung
Malerfarbe
flüssig – flüssig
Emulsion
Milch
flüssig –gasförmig
Schaum
Seifenschaum
gasförmig – fest
Rauch
Aerosol
gasförmig - flüssig
Nebel
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
33
Schaum - Seifenschaum
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
34
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand
Bezeichnung
Beispiele
fest - fest
festes Sol
Granit
fest – flüssig
feste Emulsion
Butter
fest - gasförmig
fester, kolloidaler
Schaum
Bimsstein
flüssig – fest
kolloidale Lösung
Malerfarbe
flüssig – flüssig
Emulsion
Milch
flüssig –gasförmig
Schaum
Seifenschaum
gasförmig – fest
Rauch
Aerosol
gasförmig - flüssig
Nebel
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
35
Aerosol - Rauch
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
36
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand
Bezeichnung
Beispiele
fest - fest
festes Sol
Granit
fest – flüssig
feste Emulsion
Butter
fest - gasförmig
fester, kolloidaler
Schaum
Bimsstein
flüssig – fest
kolloidale Lösung
Malerfarbe
flüssig – flüssig
Emulsion
Milch
flüssig –gasförmig
Schaum
Seifenschaum
gasförmig – fest
Rauch
Aerosol
gasförmig - flüssig
Nebel
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
37
Aerosol - Nebel
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
38
Kondensationspunkt (Taupunkt)
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
39
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
► Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden
(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).
● Sieben (Trennung über Teilchengröße)
● Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)
● Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)
► Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen
● Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter
► Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
40
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
► Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden
(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).
● Sieben (Trennung über Teilchengröße)
● Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)
● Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)
► Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen
● Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter
► Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
41
Stofftrennung
sortieren / aussortieren
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
42
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
► Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden
(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).
● Sieben (Trennung über Teilchengröße)
● Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)
● Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)
► Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen
● Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter
► Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
43
Stofftrennung - Sieben
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
44
Molekularsiebe - Zeolithe
Faujasit
Zeolith A
(Na,Ca0,5,Mg0,5,K)• (AlxSi12- x O24) • 16 H2O
Na12((AlO2)12(SiO2)12) • 27 H2O
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
45
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
► Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden
(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).
● Sieben (Trennung über Teilchengröße)
● Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)
● Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)
► Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen
● Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter
► Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
46
Stofftrennung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
47
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
► Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden
(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).
● Sieben (Trennung über Teilchengröße)
● Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)
● Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)
► Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen
● Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter
► Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
48
Stofftrennung
Flotiertes Kupfersulfid
90 % aller Kupfer-, Zink- und Bleierze werden durch Flotation aufkonzentriert
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
49
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
► Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden
(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).
● Sieben (Trennung über Teilchengröße)
● Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)
● Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)
► Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen
● Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter
► Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
50
Stofftrennung
Absetzbecken Kläranlage - Sedimentation
Sedimentation und
Dekantieren
Zentrifuge
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
51
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
► Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden
(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).
● Sieben (Trennung über Teilchengröße)
● Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)
● Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)
► Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen
● Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter
► Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
52
Stofftrennung
Büchnertrichter
Luftfilter - Auto
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
53
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
► Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
► Abdampfen, Trocknen: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte
► Sublimieren: Trennung durch unterschiedlicher Sublimationspunkte
Sublimation:
Übergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand
ohne sich vorher zu verflüssigen (schmelzen).
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
54
Stofftrennung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
55
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
► Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
► Abdampfen, Trocknen: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte
► Sublimieren: Trennung durch unterschiedlicher Sublimationspunkte
Sublimation:
Übergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand
ohne sich vorher zu verflüssigen (schmelzen).
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
56
Stofftrennung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
57
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
► Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
► Abdampfen, Trocknen: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte
► Sublimieren: Trennung durch unterschiedlicher Sublimationspunkte
Sublimation:
Übergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand
ohne sich vorher zu verflüssigen (schmelzen).
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
58
Stofftrennung
sublimiertes Iod
sublimiertes Ferrocen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
59
Stofftrennung
Homogene Gemische
Trennung durch Änderung der physikalischen Bedingungen:
► Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
► Kristallisation: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
► Destillation: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte
► Chromatographie: Trennung durch unterschiedliche Verteilung von
Stoffen zwischen mobiler und stationärer Phase
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
60
Stofftrennung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
61
Stofftrennung
Homogene Gemische
Trennung durch Änderung der physikalischen Bedingungen:
► Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
► Kristallisation: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
► Destillation: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte
► Chromatographie: Trennung durch unterschiedliche Verteilung von
Stoffen zwischen mobiler und stationärer Phase
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
62
Stofftrennung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
63
Destillation von Erdöl
Fördermengen der OPECMitgliedsländer (Mio Barrel, tägl.)
Naher
Osten
Saudi Arabien
Iran
Irak
V. A. Emirate
Kuwait
Katar
8,4
3,72
2,55
2,35
2,32
0,82
Afrika
Nigeria
Libyen
Algerien
2,1
1,59
1,25
Amerika
Venezuela
2,21
Ecuador
0,47
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
64
Stofftrennung
Homogene Gemische
Trennung durch Änderung der physikalischen Bedingungen:
► Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
► Kristallisation: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
► Destillation: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte
► Chromatographie: Trennung durch unterschiedliche Verteilung von
Stoffen zwischen mobiler und stationärer Phase
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
65
Stofftrennung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
66
Gesetz der konstanten Proportionen
Wasser + Energie  Wasserstoff + Sauerstoff
Volumenverhältnis:
2
:
Massenverhältnis :
1
:
1
7,936
1 Volumenanteil
2 Volumenanteile
Sauerstoff
Wasserstoff
Hofmann´scher Zersetzungsapparat
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
67
Gesetz der konstanten Proportionen
Analoge Beobachtungen bei anderen Verbindungen:
Chlorwasserstoff:
Wasserstoff : Chlor
= 1 : 35,175
Ammoniak:
Wasserstoff : Stickstoff
= 1 :
4,632
Methan:
Wasserstoff : Kohlenstoff = 1 :
2,979
Joseph Louis Proust
1754 - 1826
Gesetz der konstanten Proportionen:
Das Massenverhältnis zweier sich zu einer chemischen Verbindung vereinigender Elemente ist konstant.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
68
Gesetz der multiplen Proportionen
Sauerstoff + Stickstoff  5 unterschiedliche Verbindungen
Gesetz der multiplen Proportionen:
Die Massenverhältnisse zweier sich zu verschiedenen
chemischen Verbindungen vereinigender Elemente
stehen im Verhältnis ganzer Zahlen zueinander.
John Dalton, 1766 - 1844
Verb. 1: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 0,571 : 1 = (1 • 0,571) : 1
Verb. 2: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 1,142 : 1 = (2 • 0,571) : 1
Verb. 3: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 1,713 : 1 = (3 • 0,571) : 1
Verb. 4: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 2,284 : 1 = (4 • 0,571) : 1
Verb. 5: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 2,855 : 1 = (5 • 0,571) : 1
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
69
Einführung in die Atomtheorie
Dalton´sche Atomtheorie (1803- 1808):
► Elemente bestehen aus extrem kleinen Teilchen, den
Atomen. Alle Atome eine Elements sind gleich und die
Atome verschiedener Elemente sind verschieden.
► Bei chemischen Reaktionen werden Atome miteinander
verbunden oder voneinander getrennt. Dabei werden nie
Atome zerstört oder neu gebildet, und kein Atom eines
Elements wird in das eines anderen Elements verwandelt.
► Eine chemische Verbindung resultiert aus der Verknüpfung
der Atome von zwei oder mehr Elementen. Eine gegebene
Verbindung enthält immer die gleichen Atomsorten, die in
einem festen Mengenverhältnis miteinander verknüpft sind.
John Dalton, 1766 - 1844
Atom
Der Name leitet sich vom griechischen ἄτομος átomos ab, was „das Unzerschneidbare“
bedeutet (von ἀ a ‚un-‘ und τέμνειν témnein ‚schneiden‘, häufig auch übersetzt mit „das
Unteilbare“). Atome sind die kleinste Einheit, in die sich Materie mit chemischen oder
mechanischen Mitteln zerlegen lässt.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
70
Chemisches Volumengesetz
Chemisches Volumengesetz:
Das Volumenverhältnis gasförmiger, an einer chemischen
Umsetzung beteiligter Stoffe lässt sich bei gegebener
Temperatur und Druck durch einfache ganze Zahlen
wiedergegeben.
1 Vol. Wasserstoff + 1 Vol. Chlor
 2 Vol. Chlorwasserstoff
Joseph Louis Gay-Lussac
1778 - 1850
3 Vol. Wasserstoff + 1 Vol. Stickstoff  2 Vol. Ammoniak
Die Massen gleicher Volumina elementarer Gase verhalten
sich wie die Verbindungsmassen dieser Gase oder deren
Vielfache.
Amedeo Avogadro
1776 - 1856
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
71
Avogadrosche Molekülhypothese
Erwartet:
1 Vol. Wasserstoff + 1 Vol. Chlor  1 Vol. Chlorwasserstoff
+
,,,
+
Gefunden:
Amedeo Avogadro
1776 - 1856
1 Vol. Wasserstoff + 1 Vol. Chlor  2 Vol. Chlorwasserstoff
Schlussfolgerung:
Gleiche Volumina von Wasserstoff und Chlor besitzen nicht die gleiche Anzahl von
Atomen, sondern eine gleiche Anzahl größerer, mindestens aus zwei Atomen
bestehenden Komplexen, den sog. Molekülen (A. Avogadro, 1811).
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
72
Avogadrosches Gesetz
1 Vol.
1 Vol.
+
2 Vol.
=
Wasserstoff
Chlor
2 Vol.
Chlorwasserstoff
2 Vol.
1 Vol.
=
+
Wasserstoff
Wasserdampf
Sauerstoff
Amedeo Avogadro
1776 - 1856
3 Vol.
=
+
Wasserstoff
2 Vol.
1 Vol.
Stickstoff
Ammoniak
Avogadrosches Gesetz:
Gleiche Volumina idealer Gase enthalten bei gleichem Druck und gleicher
Temperatur gleich viele Moleküle.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
73
Das Elektron
Dalton´sche Atomtheorie: Atome sind die kleinstmöglichen Bausteine der Materie.
Humphry Davy (1778 – 1829)
Zersetzung
von
Verbindungen
mit
elektrischem
Strom.
Anziehungskräfte werden auf elektrische Gründe zurück geführt
(1807 – 1808).
Michael Faraday (1791 – 1867):
Beziehung zwischen zersetzter Stoffmenge und eingesetzter
Strommenge (1832 – 1833).
 Faradayschen Gesetze!
George Johnstone Stoney (1826 – 1911):
Schlägt die Existenz von elektrischen Ladungsträgern vor, die mit
Atomen assoziiert sind. 1891 gab er diesen Ladungsträgern den
Namen Elektron.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
74
Das Elektron
Julius Plücker (1801 – 1868):
Endeckung der Kathodenstrahlung, beim Versuch Strom durch
Vakuum zu leiten (1859).
Strahlen stellen schnell
bewegte,
negativ
geladene Teilchenströme
dar, die Elektronen.
Unabhängig von der
Zusammensetzung der
Kathode werden immer
Elektronen gleicher Art
abgestrahlt.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
75
Die Ladung des Elektrons – Millikan-Versuch
Robert A. Millikan
1868 – 1953
Nobelpreis 1923
Elementarladung des Elektrons = 1,602177 • 10-19 C
Masse des Elektrons
= 9,1094 • 10-28 g
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
76
Das Proton
Erzeugung von positiv geladenen Kanalstrahlen
Bsp.: Ne 
Ne+ 
Ne2+
e
e
-
-
Wilhelm Wien
1864 - 1928
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
Joseph J. Thomson
1856 - 1940
77
Das Neutron
Elektrisch neutrale Atome: bestehen aus Elektronen + Protonen
Elektronenzahl = Protonenzahl
Problem: Masse der Atome (Ausnahme Wasserstoff) ist größer als die Summe
der Massen der darin enthaltenen Protonen und Elektronen.
Ernest Rutherford (1871 – 1937)
Postuliert 1920 die Existenz zusätzlicher,
ungeladener Teilchen.
James Chadwick (1891 – 1974)
Weist 1932 die Existenz des Neutrons aus
Messwerten von Kernprozessen nach.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
78
Das Rutherford-Atommodell
Beschuss einer 0,004 mm dicken
Gold-, Silber- oder Kupferfolie mit
α-Teilchen (= 2-fach positiv
geladene Teilchen).
Ablenkung und Rückstoß von α-Teilchen durch die Atomkerne einer
Metallfolie.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
79
Das Rutherford-Atommodell
Schlussfolgerungen:
• Ein Atom besteht aus einem Atomkern und Elektronen.
• Fast die gesamte Masse und die ganze positive Ladung ist im Atomkern
vereinigt.
• Protonen werden durch starke Kernkräfte zusammen gehalten (obwohl
Protonen sich gegenseitig abstoßen!)
• Die Elektronen nehmen fast das ganze Volumen des Atoms ein.
• Die Elektronen befinden sich außerhalb des Atomkerns und umkreisen ihn in
schneller Bewegung.
• Anzahl der Protonen im Kern stimmt mit der Anzahl der Elektronen überein
(Neutralitätsregel).
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
80
Das Rutherford-Atommodell
Durchmesser von
Atomkernen = 10-15 m (1 fm = 1 Femtometer)
Atomen
= 100 • 10-12 – 400 • 10-12 m (100 – 400 pm)
Verhältnis Durchmesser Atomkern : Atom = 1/10 000 – 1/ 100 000
 Der Großteil eines Atoms ist leerer Raum!
Subatomare Teilchen
Masse [g]
Masse [u]*
Ladung [e]**
Symbol
Elektron
9,10939 • 10-28
0,00054858
-1
e-
Proton
1,67262 • 10-24
1,007276
+1
p
Neutron
1,67493 • 10-24
1,008665
0
n
* Eine Atommasseneinheit [u] ist 1/12 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C.
** Die Einheit der Ladung ist e = 1,602177 • 10-28 Coulomb.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
81
Elementsymbole / Atomsymbole
Altphilosophen
Feuer
Erde
Wasser
Lavoisier
Luft
Alchemisten
Dalton
Wasser-
Magne-
Sauer-
stoff
sium
stoff
Ammoniak
Zinn
Blei
Gold
Quecksilber Silber
Schwefel
Kohlendioxid
Schwefel
Eisen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
82
Elementsymbole / Atomsymbole
Anzahl Protonen
Massenzahl
Ordnungszahl
El
+
=
Anzahl Neutronen
Anzahl Protonen
El
Anzahl Elektronen
1
1
H
12
6C
35
17Cl
1 Proton + 1 Elektron
6 Protonen + 6 Neutronen + 6 Elektronen
17 Protonen + 18 Neutronen + 17 Elektronen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
83
Isotope
Wasserstoff
1
Deuterium
2
= schwerer Wasserstoff
Tritium
= überschwerer Wasserstoff
1H
1H
3
1H
=
H
D
= T
=
1 Proton + 1 Elektron
1 Proton + 1 Neutron + 1 Elektron
1 Proton + 2 Neutronen + 1 Elektron
Isotope (griechisch ἴσος, ísos „gleich“ und τόπος, tópos „Ort, Stelle“)
Isotope sind Atome des selben Elements, aber mit unterschiedlichen Massenzahlen. Isotope eines Elements haben die gleiche Anzahl an Protonen, aber
eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
84
Isotope
Reinelement:
Chemisches Element, von dem nur ein einziges Isotop existiert. Es besteht aus
den gleichen Atomen, welche die selbe Anzahl an Protonen und Neutronen im
Atomkern enthalten.
Es existieren 22 Reinelemente, z. Bsp. F, Na, Al, P, …
Physikalische Eigenschaften von Wasserstoff
Eigenschaften
H2
HD
D2
Siedepunkt [K]
20,39
22,13
23,67
25,04
Gefrierpunkt [K]
15,95
16,60
18,65
---
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
T2
85
Isotope
Physikalische Eigenschaften von H2O und D2O
Eigenschaften
H 2O
D 2O
Siedepunkt [°C]
100
101,42
Gefrierpunkt [°C]
0
3,8
Temp. Dichtemax. [°C]
3,96
11,6
Dichte bei 20°C [g/cm3]
0,99823
1,10530
Ionenprodukt bei 25°C
1,01 • 10-14
0,195 • 10-14
[mol2/l2]
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
86
Isotopentrennung - Massenspektrometrie
Ionenquelle
EinlassSystem
Massenanalysator
Dedektor
Datensystem
Vakuum
Ablenkung im Massenspektrometer ~ e/m
Beispiel eines Massenspektrogramms
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
87
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
88
Isotopentrennung – Technisch wichtige Verfahren
Urananreicherung
Schweres Wasser D2O
Gaszentrifugenverfahren
Elektrolyse von Wasser
Ausnutzung des Isotopeneffekts
Anreicherung von
schwerem Wasser
Trennung von 235UF6 und 238UF6
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
89
Isotopentrennung – Technisch wichtige Verfahren
K. Clusius, Chem. Ing. Tech. 35, 422 (1963).
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
90
Absolute und relative Atommassen
Absolute Atommasse:
Die Atommasseneinheit ist der zwölfte Teil des Kohlenstoffisotops 12C
und hat die Einheit [u].
1 u wird auch als Atommasseneinheit bezeichnet.
1 u = 1,660 538 782(83) • 10−27 kg
Relative Atommasse:
Die relative Atommasse stellt das Verhältnis zwischen einem
betrachteten Element und der absoluten Atommasse dar
(dimensionslos!).
Die relative Atommasse gibt an, um wie viel schwerer ein betrachtetes
Element in Bezug auf die absolute Atommasse ist.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
91
Mittlere relative Atommassen
Mittlere relative Atommasse (mElement):
mElement = ∑ ωi • mIsotop ; ∑ ωi = 1
i
i
ω = Häufigkeit
Beispiel:
Chlor kommt mit den natürlichen Isotopen 35Cl (Masse 34,969 u) und 37Cl
Masse 36,966 u) vor. Die Häufigkeit (ω) dieser beiden Isotope beträgt
75,77 % und 24,23 %. Die mittlere Atommasse ergibt sich somit zu:
35Cl:
0,7577 • 34,969 u = 26,496 u
37Cl:
0,2423 • 36,966 u = ________
8,957 u
mittlere Atommasse = 35,453 u
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
92
Relative Atommassen
(Ersten 60 Elemente, nach steigenden Atommassen geordnet)
Wasserstoff
1,00794
Scandium
44,95591
Niob
92,90638
Helium
4,002602
Titan
47,88
Molybdän
95,94
Lithium
6,941
Vanadium
50,9415
Technetium
98,9063
Beryllium
9,012182
Chrom
51,9961
Ruthenium
101,07
Bor
10,811
Mangan
54,93805
Rhodium
102,9055
Kohlenstoff
12,011
Eisen
55,847
Palladium
106,42
Stickstoff
14,00674
Cobalt
58,9332
Silber
107,8682
Sauerstoff
15,9994
Nickel
58,69
Cadmium
112,411
Fluor
18,9984032
Kupfer
63,546
Indium
114,82
Neon
20,1797
Zink
65,39
Zinn
118,71
Natrium
22,989768
Gallium
69,723
Antimon
121,75
Magnesium
24,305
Germanium
72,61
Tellur
127,6
Aluminium
26,981539
Arsen
74,92159
Iod
126,90447
Silicium
28,0855
Selen
78,96
Xenon
131,29
Phosphor
30,973762
Brom
79,904
Cäsium
132,90543
Schwefel
32,066
Krypton
83,8
Barium
137,327
Chlor
35,4527
Rubidium
85,4678
Lanthan
138,9055
Argon
39,948
Strontium
87,62
Cer
140,115
Kalium
39,0983
Yttrium
88,90585
Praseodym
140,90765
Calcium
40,078
Zirconium
91,224
Neodym
144,24
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
93
Das Mol
Das Mol:
Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso vielen
Einzelteilchen besteht, wie Atome in 12 Gramm des Kohlenstoffisotops 12C
enthalten sind; seine Einheit ist [mol].
Die Teilchenzahl (NA/L), die ein Mol eines jeden Stoffes enthält, beträgt:
NA/L = 6,02214 • 1023 mol-1
Sie wird als Avogadro-Konstante oder Loschmidt-Konstante bezeichnet.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
94
Molares Gasvolumen
Molares Gasvolumen (Molvolumen):
Das molare Volumen eines idealen Gases unter Normbedingungen
(273,15 K, 1 atm) beträgt:
VM = 22,4141 l / mol
Normbedingungen:
Tn = 273,15 K ( = 0 °C); Druck pn = 101.325 Pa ( = 1 atm)
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
95
Die molare Masse
Vorteil der Angabe von Stoffmengen und nicht von Massen:
Gleiche Stoffmengen verschiedener Stoffe besitzen die gleiche
Teilchenzahl. Bei chemischen Reaktionen ist die Teilchenzahl wichtig.
Die molare Masse M eines Stoffes X ist der Quotient aus der Masse m(X)
und der Stoffmenge n(X) dieses Stoffes:
m(X)
M(X) = _____ [kg / mol]
n(X)
Bsp.:
M(Na)* = 22,98977 g / mol
M(F)* = 18,998403 g / mol
M(S)
= 32,06 g / mol
*Reinelement:
Ein Reinelement ist ein chemisches Element, von dem in der Natur nur ein einziges Isotop existiert.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
96
Relative Molekül- und Formelmasse
Relative Molekül- und Formelmasse:
Die relative Molekülmasse ist gleich der Summe der relativen
Atommassen (Ar) der im Molekül (Mr) enthaltenen Atome.
Besteht die Verbindung nicht aus Molekülen, wie z.B. bei Ionenverbindungen, so wird der Begriff Formelmasse (Mr) verwendet.
Beispiele:
Mr(CO2) = Ar(C) + 2 Ar(O) = (12,011 + 2 • 15,9994) g/mol = 44,0098 g/mol
Mr(NaCl) = Ar(Na) + Ar(Cl) = (22,98977 + 35,453) g/mol = 58,44277 g/mol
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
97
Der Massendefekt
Die Beobachtung, dass die Masse eines Atoms (Ausnahme
Wasserstoff) stets kleiner ist als die Summe der Massen
seiner Potonen, Neutronen und Elektronen, wird als
Massendefekt bezeichnet.
E = m • c2
E = Energie; m = Masse; c = Lichtgeschwindigkeit (2,99 • 106 m/s)
1879 - 1955
Der Massendefekt entspricht der Bindungsenergie des Atomkerns.
Energiegewinn
durch
Kernfusion
Energiegewinn
durch
Kernspaltung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
98
Internationales Einheitensystem
SI-Einheiten
(franz. système international d’unités)
Basisgröße und
Dimensionsname
Einheit
Symbol
Länge
Meter
m
Masse
Kilogramm
kg
Zeit
Sekunde
s
Elektrischer Strom
Ampère
A
Temperatur
Kelvin
K
Stoffmenge
Mol
mol
Leuchtstärke
Candela
cd
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
99
SI-Einheiten
Internationaler Meterprototyp, Standardbarren aus Platin-Iridium,
der Standard bis 1960
17. Generalkonferenz für Maße und Gewichte 1983:
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum wurde auf 299.792.458 m/s
festgelegt und definierte ein Meter als „die Strecke, die das Licht im
Vakuum in einer Zeit von 1 / 299.792.458 Sekunde zurücklegt“.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
100
SI-Einheiten
Dezimale Vielfache der Längeneinheit Meter
Bezeichnung
Einheit
Faktor
Yottameter
Ym
1024
Zettameter
Zm
1021
Exameter
Em
1018
Petameter
Pm
1015
Terameter
Tm
1012
Gigameter
Gm
109
1.000.000 km
Megameter
Mm
106
1.000 km
gebräuchlich in der Ozeanologie
104
10 km
veraltet
Myriameter
Vielfaches
Anmerkung
Kilometer
km
103
1.000 m
Hektometer
hm
102
100 m
Vor allem verwendet bei Artillerie und Marine
Dekameter
dam
101
10 m
Anfang des 20. Jahrhunderts findet sich die Bezeichnung
„Kette“ als Synonym für Dekameter.
Meter
m
100
Grundmaß
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
101
SI-Einheiten
Dezimale Vielfache der Längeneinheit Meter
Bezeichnung
Einheit
Faktor
Vielfaches
Anmerkung
Meter
m
100
Dezimeter
dm
10-1
10 cm
Zentimeter
cm
10-2
10 mm
Millimeter
mm
10-3
1.000 µm
10 Millimeter sind 1 Zentimeter.
Mikrometer
µm
10-6
0,001 mm
Veraltete Bezeichnung: Mikron.
Nanometer
nm
10-9
Ångström
Å
10-10
Pikometer
pm
10-12
Entspricht einem Billionstel Meter (einem Milliardstel
Millimeter).
Femtometer
fm
10-15
Unter der veralteten Bezeichnung Fermi in der Kernphysik und
in der Teilchenphysik gebräuchlich.
Attometer
am
10-18
Zeptometer
zm
10-21
Yoctometer
ym
10-24
Grundmaß
Entspricht einem Milliardstel Meter (einem Millionstel
Millimeter).
100 pm
gebräuchlich in der Atomphysik und in der Kristallographie
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
102
Internationales Einheitensystem
SI-Einheiten
(franz. système international d’unités)
Basisgröße und
Dimensionsname
Einheit
Symbol
Länge
Meter
m
Masse
Kilogramm
kg
Zeit
Sekunde
s
Elektrischer Strom
Ampère
A
Temperatur
Kelvin
K
Stoffmenge
Mol
mol
Leuchtstärke
Candela
cd
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
103
SI-Einheiten
Internationale Kilogrammprototyp
(seit 1889)
Es handelt sich um einen Zylinder
von 39 Millimeter Höhe und 39
Millimeter Durchmesser, der aus
einer Legierung von 90 % Platin und
10 % Iridium besteht
Avogadroprojekt: 28Si-Kugel für das Avogadroprojekt:
Bestimmung der Avogadro-Konstante NA aus Masse m
und Volumen V eines Körpers, der aus einem Material
bekannter Teilchendichte n und molarer Masse M
besteht:
M•V•n
NA =
m
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
104
Internationales Einheitensystem
SI-Einheiten
(franz. système international d’unités)
Basisgröße und
Dimensionsname
Einheit
Symbol
Länge
Meter
m
Masse
Kilogramm
kg
Zeit
Sekunde
s
Elektrischer Strom
Ampère
A
Temperatur
Kelvin
K
Stoffmenge
Mol
mol
Leuchtstärke
Candela
cd
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
105
SI-Einheiten
Maßeinheit Sekunde [s]:
Definition der Sekunde als Vielfaches der Periode einer Mikrowelle, die
mit einem ausgewählten Niveauübergang im Caesiumatom in Resonanz
ist (-> Atomsekunde).
Definition Sekunde:
Eine Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem
Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des
Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden
Strahlung.
Definition Ampere:
Ein Ampere ist die Stärke des zeitlich konstanten elektrische Stromes, der
im Vakuum zwischen zwei parallelen, unendlich langen, geraden Leitern
mit vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt und dem
Abstand von zwischen diesen Leitern eine Kraft von Newton pro Meter
Leiterlänge hervorrufen würde.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
106
Internationales Einheitensystem
SI-Einheiten
(franz. système international d’unités)
Basisgröße und
Dimensionsname
Einheit
Symbol
Länge
Meter
m
Masse
Kilogramm
kg
Zeit
Sekunde
s
Elektrischer Strom
Ampere
A
Temperatur
Kelvin
K
Stoffmenge
Mol
mol
Leuchtstärke
Candela
cd
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
107
SI-Einheiten
Defintion Temperatur [K]:
Ein Kelvin ist der 273,16te Teil der
thermodynamischen
Temperatur
des Tripelpunktes von Wasser, bei
dem dessen feste, flüssige und
gasförmige Phase koexistieren.
Der Nullpunkt der Kelvinskala liegt
beim absoluten Nullpunkt. Der
Wert 273,16 ist so gewählt, dass
die Fixpunkte der historischen
Celsius-Skala
etwa
100
K
auseinander liegen.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
108
SI-Einheiten
Temperatur in °C
Objekt
14.800.000
1.000.000 bis 2.000.000
Zentrum der Sonne
Sonnenkorona
7.000
Erdkern
5.500
Oberfläche der Sonne
3.000
Flamme eines Schweißbrenners (Acetylen+Sauerstoff)
2.500
Glühwendel von Glühlampen
700–1.250
Magma
950
Flamme eines Gasherdes
800
Streichholzflamme
> 400
ca. 230
100
36 bis 37
0
Pizzaofen
Bügeleisen (Einstellung: Leinen)
Siedepunkt von Wasser bei Normaldruck
Körpertemperatur eines gesunden Menschen
Gefrierpunkt von Wasser bei Normaldruck
−78,5
Sublimation von Trockeneis bei Normaldruck
−195,8
Siedepunkt von Flüssigstickstoff bei Normaldruck
−270,4
Temperatur des Weltalls (Hintergrundstrahlung)
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
109
Internationales Einheitensystem
SI-Einheiten
(franz. système international d’unités)
Basisgröße und
Dimensionsname
Einheit
Symbol
Länge
Meter
m
Masse
Kilogramm
kg
Zeit
Sekunde
s
Elektrischer Strom
Ampere
A
Temperatur
Kelvin
K
Stoffmenge
Mol
mol
Leuchtstärke
Candela
cd
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
110
Internationales Einheitensystem
Definition Candela [cd]:
Eine Lichtquelle hat in einer gegebenen Raumrichtung 1 cd
Lichtstärke, wenn sie auf einem Sensor mit der genormten
spektralen Empfindlichkeitsverteilung des menschlichen Auges
dasselbe Signal erzeugt wie monochromatisches Licht der Frequenz
540 · 1012 Hz und der Strahlungsstärke von 1/683 W/sr.
2•1027
3•1016
cd
cd
1 cd
800 cd
10-2 cd
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
111
Abgeleitete-Einheiten
Größe
Einheit
Symbol
Kraft
Newton = kg • m • s-2
N
Energie
Joule = N • m = kg • m2 • s-2
J
Leistung
Watt = J • s-1 = kg • m2 • s-3
W
Druck
Pascal = N • m-2 = kg • m-1 • s-2
Pa
Elektrische Ladung
Coulomb = A • s
C
Elektrische Potentialdifferenz
Volt = W • A-1 = J • C-1
V
Elektrischer Widerstand
Ohm = V • A-1
Ω
Elektrische Leitfähigkeit
Siemens = Ω-1 = V-1 • A
S
Elektrische Kapazität
Farad = C • V-1
F
Magnetischer Fluss
Weber = V • s
Wb
Induktivität
Henry = V • s • A-1
H
Magnetische Induktion
Tesla = V • s • m-2
T
Frequenz
Hertz = s-1
Hz
Radioaktivität
Becquerel = s-1
Bq
Absorbierte Energiedosis
Gray = J • kg-1
Gy
Dosis-Äquivalent
Sievert = J • kg-1
Sv
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
112
Naturkonstanten
Konstante
Symbol
Zahlenwert
Avogadro-Zahl
NA
6,022137 • 1023 mol-1
Bohr-Radius
a0
5,29177 • 10-11 m
9,10939 • 10-28 g
5,485799 • 10-4 u
Elektron, Ruhemasse
Elementarladung
Faraday-Konstante
e
F = NA • e
1,6021773 • 10-19 C
9,648531 • 104 C • mol-1
Ideale Gaskonstante
R
8,31451 J • mol-1 • K-1
Lichtgeschwindigkeit
c
2,99792458 • 108m s-1
Molares Volumen eines idealen
Gases
VM
1,674929 • 10-24 g
1,00866501 u
Neutron, Ruhemasse
Planck-Konstante
h
6,626076 • 10-34 J • s
1,672623 • 10-24 g
1,00727647 u
Proton, Ruhemasse
Normalfallbeschleunigung
22,4141 l • mol-1
gm
9,80665 m • s-2
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
113
Aggregatzustände (Teilchenmodell)
Gase
- frei voneinander bewegliche Teilchen
- füllen gesamten zur Verfügung stehenden Raum aus
- 1000 bis 2000-fachen Volumenanspruch im Vergleich zu
Flüssigkeit oder Festkörper
Verdampfen
Kondensieren
Flüssigkeiten
- Anziehungskräfte zw. Teilchen bedingen
def. Volumen aber keine Formstabilität
Sublimation
Resublimation
- Teilchen nehmen keine fixierten Plätze
ein, sie bewegen sich
- kaum Änderung des Volumens durch
Druckänderung
Schmelzen
Erstarren
Festkörper
- Anziehungskräfte zw. Teilchen bedingen Zusammenhalt
- Teichen schwingen auf festen Positionen
- bedingte Verformbarkeit
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
114
Gase
Ideales Gas
• Gasförmige Atome und Moleküle sind
vernachlässigbar klein verglichen mit ihrem
mittleren Abstand in der Gasphase.
• Die Gasteilchen üben keine
wechselseitigen Kräfte aufeinander aus.
• Bei Stößen untereinander oder mit den
Wänden wird Impuls und Energie
ausgetauscht. Die Stöße sind elastisch.
• Alle Geschwindigkeitsrichtungen kommen
gleich häufig vor.
• Bei Zufuhr von Energie (Temperatur-,
Druckerhöhung) ändert sich ihre kinetische
Energie.
• Die Beträge der Geschwindigkeiten aller
Gasteilchen haben eine Maxwell –
Boltzmann - Verteilung.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
115
Gase
Gasdruck:
Der Gasdruck entsteht als Summe aller durch ein Gas oder Gasgemisch
wirkenden Kräfte auf eine Gefäßwand ( ). Stößt ein Gasteilchen an eine Wand,
so tauschen beide einen Impuls aus. Je wärmer das Gas ist, desto schneller sind
die Teilchen und desto größer ist auch der Druck
Vakuum
Luftdruck
Luftdruck
Quecksilber
760 mm Hg-Säule
Die
mm-Quecksilbersäule
stellt die gesetzliche Einheit
zur Angabe von Drücken von
Körperflüssigkeiten,
insbesondere des Blutdrucks in
Deutschland und in der
Schweiz dar.
760 mm Hg-Säule = 760 Torr = 1 atm = 101,325 kPa ≈ 1013 hPa = 1,013 bar
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
116
Gas-Gesetze
Bei konstanter Teilchenzahl n gelten folgende Gas-Gesetze
T [K], V [l], p [Pa]:
Boyle-Mariotte:
T = const.
p1 • V1
p • V2
= 2
T1
T2
Volumen
p•V
= const.
T
p • V = const.
p 1 • V 1 = p2 • V 2
Druck
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
117
Gay-Lussac:
p = const.
V~T
V1 • T2 = V2 • T1
V = const.
Volumen
Gas-Gesetze
p~T
p1 • T2 = p2 • T1
- 273
0
Temp. [°C]
Bei veränderlicher Teilchenzahl n gilt das allgemeine Gasgesetz:
p: Druck [Pa]
V: Volumen [l]
p•V=n•R•T
n: Teilchenzahl [mol]
R: 8,31451 [J• mol-1 • K-1] allgemeine Gaskonstante
T: Temperatur [K]
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
118
Gasverflüssigung: Linde-Verfahren
Substanz
Kritische
Temperatur [K]
Kritischer Durck
[MPa]
He
H2
N2
CO
O2
CH4
CO2
NH3
H2O
5,3
33,3
126,1
134,0
154,4
190,2
304,2
405,6
647,2
0,229
1,30
3,39
3,55
5,04
4,62
7,38
11,30
22,05
Kritische Temperatur:
Oberhalb dieser Temperatur lässt sich ein Gas nicht mehr verflüssigen, gleichgültig wie hoch
der Druck ist.
Kritischer Druck:
Mindestdruck, welcher zur Verflüssigung des Gases bei seiner kritischen Temperatur benötigt
wird.
Ausnutzung des Joule-Thomson-Effekts
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
119
Funktionsweise Kühlschrank / Wärmepumpe
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
120

Download Report