Grundlagen der Chemie (Subject) / Verbindung, Konzentrationen, Katalyse, Oxidation (Lesson)

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• Intramolekulare Bindungen Starke Bindungen zwischen den einzelnen Atomen bei Verbindungen Zu unterscheiden in Atombindung, Ionenbindung und Metallbindung
• Atombindung Atome teilen sich Bindung, sodass beide möglichst Edelgaskonfiguration erhalten Entsteht zwischen Nichtmetallatomen Hierdurch entstehende Struktur: Molekül- oder Atomkristalle Entstehende Stoffe sind gute Isolatoren Reine Atombindung- Differenz der EN ist kleiner als 0,3: ΔEN < 0,3- Gemeinsame Elektronen gleichmäßig zwischen beiden Atomen verteilt- Keine elektrische Ladungsverschiebung Polarisierte Atombindung- Differenz der EN liegt zwischen 0,3 und 1,7- Elektronen von elektronegativerem Element werden stärker angezogen, sodass im     Molekül elektrische Ladungsverschiebung entsteht = partitielle Ionenbindung- Z. B. nicht salzartige, anorganische Verbindungen, organische Verbindungen
• Metallbindungen Bindung innerhalb eines Metalls Metallatome geben alle Valenzelektronen ab, um Metallgitter aus positiven Atomen mit leicht beweglichen Elektronen zu bilden Elektronen stehen in elektrostatischer Wechselwirkung mit Metallionen Es entsteht Metallgitter, das undurchsichtig, metallisch und ein elektrischer und Wärmeleiter ist
• Ionenbindung Chemische Bindung zwischen Metallen und Nichtmetallen, die aus der elektrostatischen Anziehung positiv und negativ geladener Ionen resultiert Differenz der EN > 1,7 Atome wollen Edelgaskonfiguration durch Abgabe/Aufnahme von Elektronen erreichen Atome mit geringer EN (links im PSE) geben Elektronen ab und werden dabei zu einfach oder mehrfach positiv geladenen Kationen Atome mit hoher EN (rechts im PSE) nehmen Elektronen auf und werden dabei zu einfach oder mehrfach positiv geladenen Anionen Es entstehen Ionenkristalle, die salzartig sind, hart, spröde und ein guter elektrischer Isolator
• Standardbedingungen Auch STP genannt (Standard Temperature and Pressure) Nicht einheitlich definiert In Europa gilt:- Standarddruck ⇒ p = 101.325 Pa = 1.013,25 hPa- Standardtemperatur ⇒ T = 298,15 K = 25° C In der Chemie beinhaltet Standardbedinung auch noch definierte Konzentrationen der Reaktionspartner, normalerweise 1 mol/L
• Reaktionsgleichung A + B wird zu C + D Edukte werden zu Produkten Ausgangsprodukt wird zu Endprodukt oder Reaktionsprodukt Jede Reaktion ist umkehrbar Es gibt einen Gleichgewichtszustand, der abhängig ist von Druck p, Temperatur T und Konzentration der Edukte Wenn keine Angabe zu d und T erfolgt, gilt bei Gasen die Normalbedingung Bei anderen Reaktionen gelten Standardbedingungen
• Normalbedingungen Gelten, wenn bei Reaktionsgleichung keine Angabe zu p und T gemacht wurde Sind weltweit genormt Normaldruck p = 1 atm = 101,325 kPa (kiloPascal) = 1013,25 mbar Normaltemperatur T = 0° C = 273,15 K
• Gleichgewichtsreaktion Gleichgewichtspfeil zeigt an, in welche Richtung Reaktion abläuft Beide Pfeile gleichgroß = Gleichgewichtsreaktion- Bedeutet, dass eine Hinreaktion und gleichzeitig eine Rückreaktion stattfindet- Produkte werden gebildet und gleichzeitig wieder zurückgewandelt- Hinreaktion läuft gleichschnell ab wie Rückreaktion (dynamisches Gleichgewicht) Hinreaktionspfeil größer = Triebkraft der Hinreaktion größer = Gleichgewicht liegt rechts Nur Hinreaktionspfeil = Extremes Gleichgewicht, fast keine Rückreaktion = Triebkraft fast Null
• Nettoreaktionsgleichung Wenn Brutto-Reaktionsgleichung zu unübersichtlich ist Nur die Ionen, die miteinander reagieren, werden aufgeführt Abwärtspfeil zeigt Niederschlag/Fällung an Gesetz der Erhaltung der Masse beachten
• Gesetz der Erhaltung der Massen Anzahl der Elemente muss auf beiden Seiten der Reaktionsgleichung gleich sein Summe der Ladungen müssen auf beiden Seiten der Reaktionsgleichung gleich sein (Elektroneutralitätsprinzip)- Zur Überprüfung + und - vor und nach Reaktionspfeil addieren - Wenn auf beiden Seiten gleiches Ergebnis = elektrisch neutral Anzahl Elemente vor und nach Reaktionspfeil identisch = Masse erhalten
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• Molare Masse M(X) Einheit g/mol 1 Mol einer Substanz enthält genauso viel Moleküle/Atome wie Kohlenstoffatome in genau 0,012 kg vom Kohlenstoffisotop 12C enthalten sind Teilchenzahl in 1 Mol = 6,022x1023 = Avogadrozahl [NA] Masse von Natriumchlorid:- M(Na) = 23 g/mol + M(Cl) = 35,5 g/mol- M(NaCl) =58,5 g/mol
• Stoffmenge n(X) Quantitative Mengenangabe eines Stoffes Einheit = mol Formel = n(X) = m(X) / M(X)- Für X bei n(X) den Stoff einsetzen- Für m(X) das Gewicht einsetzen- Für M(X) die Molare Masse einsetzen ⇒ n(H2O) = 100g / 18g/mol = 5,555 molStoffmenge der Wasserportion enthält 5,555 mol. Wie viele Teilchen sind in 100g Wasser enthalten?- n(X) mit Avogadrozahl multiplizieren
• Konzentration Menge des Gelösten / Volumen der Lösung Stoffmengenkonzentration c Mengenkonzentration β Volumenkonzentration σ
• Stoffmengenkonzentration c [mol/L] Gibt an, wie ein gelöster Stoff im Volumen der Lösung konzentriert ist c(X) = n(X) / VLsg [mol/L]  ODER c(X) = m(X) / M(X) * VLsg [mol/L] Formel der Stoffmenge kombinieren mit Formel der Stoffmengenkonzentration, die nach n(X) umgestellt wurde Dann n = n setzen Nach m(X) auflösen
• Massenkonzentration β in [g/L] β(X) = m(X) / VLsg ODER β(X) = c(X) * M(X)
• Löslichkeit von Salzen Maximale Menge eines Salzes, die in einem Lösungsmittel gelöst werden kann Löslichkeit stark abhängig von Druck und Temperatur Leicht lösliches Salz: Wenn viel Salz gelöst werden kann (36g NaCl/100g H2O) Schwer lösliches Salz: Wenn wenig Salz gelöst werden kann (0,2mg BaSO4/100g H2O) Angabe von Wasser in Gramm, nicht in L! Bodensatzbildung wenn Salz nicht mehr gelöst werden kann (Sättigung) Andere Salze sind trotzdem noch lösbar!
• Löslichkeit von Gasen Prozentualer Anteil der Gase, die in Flüssigkeit gelöst werden können, abhängig von Druck und Temperatur
• Eigenschaften von Lösungen Siedetemperatur stark abhängig vom Druck "Siede"temperatur von Wasser bei - Normaldruck (1013,25 hPa) 100°C- Vakuumdestillation (ca. 20 hPa) 20°C- Dampfkochtopf (ca. 1.800 hPa) 120°C ⇒ Wenn Dampfdruck der Flüssigkeit = äußerer Luftdruck ist, siedet Flüssigkeit     - Ändert sich äußerer Druck, ändert sich auch die Siedetemperatur ⇒ Siedepunktserhöhung bzw. Gefrierpunktserniedrigung durch Salz in Flüssigkeit
• Brownsche Molekularbewegung Teilchenbewegung abhängig von Temperatur Siedende Lösung: Teilchen bewegen sich schneller, sind so weit von einander entfernt, dass sie sich nicht mehr anziehen können- VDW-Kräfte = 0
• Diffusion Physikalischer Prozess, der zu gleichmäßiger Verteilung der Teilchen und Durchmischung zweier Stoffe führt Beruht auf Brownschen Molekularbewegung Teilchen stoßen sich aufgrund Bewegung durch unterschiedlicher Temperatur an, vermischen sich, bis es zum Konzentrationsausgleich kommt Konvektion ⇒ Wenn Teilchen sich von hoher zu niedriger Konzentration bewegen
• Osmose Spezielle Form der Diffusion Äußere Bedingungen sorgen dafür, dass aus der richtungs- und regellosen Diffusion eine gerichtete bzw. einseitige Diffusion wird Konzentrationsausgleich der Moleküle wird durch semipermeable Membran behindert Poröse Stoffe, die kleine Moleküle wie Wasser durchlassen, größere wie Zucker aber nicht Teilchengröße ist hier für Konzentrationsausgleich entscheidend Als Folge vergrößert sich das Volumen, bzw. osmotischer Druck baut sich auf
• Osmotischer Druck Isotonisch: Druck auf beiden Seiten der Membran ist gleich Hypotonisch: Konzentration der äußeren Lösung ist niedriger als in Lösung auf anderer Seite der Membran Hypertonisch: Konzentration der äußeren Lösung ist höher als in Lösung auf anderer Seite der Membran 
• Massenwirkungsgesetz Verhältnis der Aktivitäten der Produkte und Edukte einer chemischen Reaktion im chemischen Gleichgewicht Berechnet, wie viel Edukte es im Vergleich zu Produkten bei einer Gleichgewichtsreaktion gibt Verhältnis ist konstant Zu errechnen mit K = (Produkt C + Produkt D) / (Produkt A + Produkt B) Klein a - d stehen für stöchiometrische Faktoren K > 1 → Gleichgewicht auf rechter Seite, mehr Produkte als Edukte K = 1 → Gleichgewicht in der Mitte, Konzentration Produkte u. Edukte gleich K < 1 → Gleichgewicht auf linker Seite, mehr Edukte als Produkte K = [C]c x [D]d       [A]a x [B]b
• Prinzip von Le Châtelier Prinzip des kleinsten Zwanges Besagt, dass sich das Gleichgewicht durch Änderung von Konzentration, Druck oder Temperatur so verschiebt, dass sich ein neues Gleichgewicht einstellt, auf das die Änderung dann keinen Einfluss hat Wird Konzentration der Edukte erhöht → Reaktion läuft in Richtung Produkte ab Wird Konzentration der Produkte erhöht → Reaktion läuft in Richtung Edukte ab Umgekehrt bei Konzentrationsverminderung
• Reaktionskinetik Verlauf einer Reaktion Reaktionsgeschwindigkeit (RG) abhängig von - Konzentration der Edukte (je höher desto höher ist RG)- Temperatur (je höher desto höher ist RG)- Katalysator (Senkung der Aktivierungenthalpie)
• Warum erhöht sich Reaktionsgeschwindigkeit bei Erhöhung der Eduktkonzentration und der Temperatur? Stoßtheorie- Teilchen müssen mit bestimmter Mindestenergie zusammenstoßen, damit Reaktion    stattfindet- Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes der Teilchen bei Erhöhung der                 Eduktkonzentration (= mehr Teilchen) und Temperatur (= höhere Brownsche   Molekularbewegungen) höher, was die RG folglich erhöht RGT-Regel- Bei Erhöhung der Temperatur um 10K (=10°C) erhöht sich RG um Faktor 2 - 4
• Katalysator Damit Reaktion ablaufen kann, wird Aktivierungsenergie benötigt Kann durch Katalysator verringert werden, was RG erhöht Wird dabei nicht verbraucht, deshalb nur kleine Katalysatormengen benötigt Homogene Katalyse- Katalysator liegt in gleicher Phase vor wie Reaktanden (flüssig - flüssig) Heterogene Katalyse- Katalysator liegt in anderer Phase vor als Reaktanden (flüssig - fest) Autokatalyse- Katalysator bildet sich während Reaktion selbst Biokatalysator- Enzyme, die in lebenden Zellen sehr viele Reaktionen katalysieren- Sind meist spezifisch gebaut (wie Schlüssel und Schloss)- Können vergiftet werden, wenn falsches Substrat Enzyme blockt
• Reaktionsenergetik Energieumsatz bei chemischen Reaktionen Bei chemischen Reaktionen werden nicht nur Stoffe umgewandelt und so ihre Eigenschaften verändert, auch Energiegehalt ändert sich Energie geht nicht verloren- Exotherm → Energie wird an Umgebung abgegeben- Endotherm → Energie wird aus Umgebung aufgenommen Energie kann von einer Form in andere umgewandelt werden Energie kann nicht erschaffen oder vernichtet werden!→ 1. Hauptsatz der Thermodynamik
• Entropie S Maß für die Unordnung eines Systems Strebt zu einem Maximum Wenn Entropie steigt, mischen sich die Teilchen und geraten so in Unordnung [S] = [Q/T] → Q = Joule, T = Kelvin → [S] = J/K- Die Einheit der Entropie ist Joule pro Kelvin Entropie ist bei Feststoff am kleinsten, bei Gas am größten 2. Hauptsatz der Thermodynamik: Bei spontaner Zustandsänderung vergrößert sich Entropie
• Reaktionsenthalpie Die Wärme, die im Verlauf einer chemischen Reaktion aufgenommen/abgegeben wird ΔH = H(Produkte) - H(Edukte) ΔH < 0 = exotherme Reaktion, Produkte sind energieärmer als Edukte ΔH > 0 = endotherme Reaktion, Produkte sind energiereicher als Edukte
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• Enthalpie (allgemeine Definition) Die im Verlauf einer Zustandsänderung freiwerdende Wärme Zustandsänderung:- Lösungsvorgang- Schmelzvorgang- Chemische Reaktion
• HESS'scher Satz Bei gleichem Anfangs- und Endzustand ist Reaktionsenthalpie unabhängig davon, ob Reaktion direkt oder in verschiedenen getrennten Schritten durchgeführt wird
• Systeme Isolierte oder abgeschlossene Systeme- Kein Stoff- oder Energieaustausch mit Umgebung (Thermoskanne) Geschlossene Systeme- Mit Umgebung wird Energie ausgetauscht, aber keine Materie Offene Systeme- Mit Umgebung wird Energie und Materie ausgetauscht
• Oxidationszahl Hilfsgröße Beschreibt Formalladungen Beantwortet Frage, ob ein Molekül oxidiert oder reduziert wurde Alle elementaren Atome haben OZ = 0 OZ von einfachen Ionen entspricht deren Ladung OZ auswendig lernen:- Sauerstoff O: - ll- Wasserstoff H: + l- Metallionen sind immer positiv (siehe PSE)
• Oxidation Wenn ein Stoff mit Sauerstoff reagiert Alle Reaktionen, bei denen Elektronen abgegeben werden
• Reduktion Alle Reaktionen, bei denen Elektronen aufgenommen werden
• Redox-Reaktion Reduktionsmittel reduziert anderen Stoff und wird selbst oxidiert Oxidationsmittel oxidiert anderen Stoff und wird selbst reduziert Oxidations- oder Reduktionsprozess tritt niemals alleine auf- Wenn Atom Elektronen abgegeben werden, müssen diese auch wieder   aufgenommen werden Menge der Elektronen bleibt erhalten

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