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Stoffdynamik in Agroökosystemen und Nahrungsketten (Fach) / Allgemein (Lektion)

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• Oxidationszahlen Wie erkenne ich ob ein Stoff oxidiert oder reduziert wird? -> an den Oxidationszahlen der Atome! 1. Elemente immer OxZ=0 (O2, N2, Fe, Cl2) 2. einfache Ionen: OxZ entspricht Ladung des Ions -> Zusammengesetzte Ionen: die Summer aller OxZ des Ions muss die Ladung des Ions ergeben. zB: SO42-: O hat -II: Gesamtladung ist -2 => S muss +VI haben 3. Wasserstoff: +I, außer in Metallhydriden 4. Sauerstoff: -II, außer in Peroxiden (-O-O-): -I 5. Regeln gelten in dieser Reihenfolge
• Disproportionierung Element wechselt von einer Oxidationsstufe in zwei andere Oxidationsstufen (eine höhere und eine niedrigere)
• Synproportionierung (auch Komproportionierung) Das gleiche Element liegt in verschiedenen Oxidationsstufen vor. Diese reagieren miteinander in einer Redoxreaktion, so dass das Element nach Reaktion in nur noch einer, dazwischenliegenden Oxidationsstufe vorliegt.
• Allotropie Erscheinung, dass ein chem. Element in zwei oder auch mehr Formen („Modifikationen“) im gleichen Aggregatszustand auftritt, die sich physikalisch und in ihrer chemischen Reaktionsbereitschaft unterscheiden.
• Kondensationsreaktion Reaktion, bei der sich zwei Moleküle unter Abspaltung eines einfachen Moleküls (meist Wasser, aber auch Ammoniak, Kohlenstoffdioxid, Chlorwasserstoff…) miteinander verbinden. In den meisten Fällen leicht reversibel: Hydrolyse (mit Wasser).
• Homologe Reihe: Stoffklassenreihe, deren Glieder sich jeweils um einen bestimmten Molekülanteil (hier CH2-Gruppen) unterscheiden
• Isomerie Isomerie ist das Auftreten von zwei oder mehreren chemischen Verbindungen mit gleicher Summenformel und Molekülmasse, die sich jedoch in der Verknüpfung oder der räumlichen Anordnung der Atome unterscheiden.
• „Zweige“ heißen Substituenten, weil sie ein H-Atom der Grundkette ersetzen.
• Nomenklatur Alkane. Regeln: (5 Punkte) 1. Längste Kette suchen und C-Atome dieser Kette zählen.→ Grundname2. Nummerieren, so dass die (alkylsubstituierten) C-Atome der Grundkette eine möglichst kleine Nummer erhalten.3. Position des Substituenten wird durch Nummer des C-Atoms der Grundkette angegeben.4. Wenn der gleiche Substituent mehrfach vorkommt, wird das durch eine griechische Zahl-Vorsilbe angegeben: di-, tri-, tetra-, …5. Unterschiedliche Substituenten werden alphabetisch sortiert.
• Isomere von C7H16 n-heptan  2-Methylhexan 3-Methylhexan  2,3-Dimethylpentan 3,3-Dimethylpentan 2,4-Dimethylpentan 2,2-Dimethylpentan 3-Ethylpentan  2,2,3-Trimethylbutan 
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• wie werden unverzweigte Ketten gekennzeichnet? z.B.: n-heptan --> n=unverzweigt
• Methan CH4
• Ethan C2H6
• Propan C3H8
• Butan C4H10
• Pentan C5H12
• Hexan C6H14
• Heptan C7H16
• Octan C8H18
• Nonan C9H20
• Decan C10H22
• Decan C10H22
• Reihenfolge Alkane Methan Ethan Propan Butan Pentan Hexan Heptan Octan Nonan Decan
• Je länger die Ketten, desto... Höher der Siedepunkt
• Wie viele Bindungen hat C? Immer 4
• Wie nennt man Basisverbindungen der organischen Chemie aus C und H? Kohlenwasserstoffe
• Beschreibe die Skelettformel - für größere Moleküle - jeder Strich steht für eine Bindung zwischen zwei C Atomen - an jedem Strichende steht ein C Atom - H-Atome und die C-H-Bindungen werden weggelassen - Winkel entsprechen etwas Realität
• Nomenklatur Alkane 1. Längste unverzweigte Kette suchen: --> Grundname 2. Anzahl C-Atome im Zweig: --> Zweigname. -yl statt -an. 3. Position des Zweigs --> Nr. des C-Atoms
• Alkene wie Alkane, aber eine Doppelbindung zw. zwei C-Atomen
• Die Doppelbindung ist nicht drehbar, daher E/Z-Isomerie (früher: cis/trans)
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• Alkine statt Doppelbindung: Dreifachbindung -> AlkineNomenklatur und Reaktionen: ähnlich wie Alkene selten in Naturstoffen Endung mit -in statt -an oder -en
• abwechselnd DB und Einfachbindung charakterisieren: Konjugierte DB alle benachbarten C-Atome sp2-hybridisiertkann auch andere Atome als C (Heteroatome) einbeziehen sind energieärmer/stabiler: Additionsreaktionen langsamer oder nur unter drastischeren Bedingungen (Hitze, …)stabilisieren Radikale und Carbeniumionen
• Relative Lage der DB zueinander: isoliert, konjugiert, kumuliert beschreibe! isoliert: min. ein C-Atom, das an keiner DB beteiligt ist, liegt dazwischen konjugiert: abwechselnd DB und Einfachbindung kumuliert: min. zwei DB direkt hintereinander
• Reaktionsmechanismen radikalische Substitution: Alkanenucleophile Substitution: speziell: SN1 und SN2, Gruppe: substituierte Alkaneradikalische Addition (auch Polyaddition): Alkeneelektrophile Addition: AlkeneEliminierung: speziell: E1 und E2, Gruppe: substituierte Alkane
• Reaktionen der Alkene - hohe Elektronendichte oberhalb und unterhalb der Ebene der Doppelbindung- elektrophiler Angriff;- Alkene daher reaktionsfreudiger als Alkane.- Typische Reaktion: elektrophile Additionsreaktion;- Zwischenprodukt: Carbenium-Ion;- Stabilität des Carbenium-Ions bestimmt vom +I-Effekt der Alkylgruppen;- +I-Effekt und –I-Effekt verschiedener Gruppen;- Radikalische Polyaddition zur Herstellung wichtiger Kunststoffe;- Addition von Wasserstoff zur Fetthärtung
• Terpene Polymere Terpere sind aus Isopren-Bausteinen aufgebaut • Monoterpen aus 2,• Sesquiterpen aus 3,• Diterpen aus 4 Isopren-Einheiten• usw. • sekundäre Inhaltsstoffe in Pflanzen (und Tieren)• große Vielfalt an Kohlenstoffgerüsten• auch mit funktionellen Gruppen (Terpenoide)z.B.: in ätherischen Öle z.B. Limonen, Menthol (beides Monoterpene), oft AromastoffeCarotine, Vitamin A
• Polymere Polytetrafluorethylen = PTFE = Teflon • Kein Produkt der Weltraumforschung!• Wasserabweisend• lösungsmittel- und chemikalienbeständig• Erweichung beginnt bei > 300°C ;• Auskleidung von Pfannen, Backformen u.ä.• bei starker Erhitzung (> 260 °C) COF2: giftig; daher: Pfannen nicht lange leer erhitzen!• Kratzer in der Beschichtung und sich ablösende Beschichtungspartikel unbedenklich: werden wieder ausgeschieden.• Speziell physisch behandelt: Gore-Tex.
• Radikalische Addition Reaktionsschritte: 1. Startreaktion: Bildung von Radikalen durch homolytische Spaltung 2. Kettenreaktion Ergebnis: wie bei elektrophiler Addition, aber Mechanismus unterschiedlich
• Elektrophile Addition Alkene reagieren mit Halogenen: z.B. Cl2, Br2, I2: zB Br2: 1. Polarisierung und heterolytische Spaltung: --> 1. DB hat hohe Elektronendichte: → polarisiert Br2-Molekül; → Br2-Molekül und Halogen sind locker gebunden „π-Komplex“;→ Name: Br2 ist elektrophil: „mag“ die hohe Elektronendichte der DB.2. Dann: heterolytische Spaltung des Br2: → Br– wird freigesetzt. 2a. "Rückseitenangriff" von Bromidionen Das Br– verbindet sich mit einem der CAtome:→ Dreierring öffnet sich. Analog: Addition von Halogenwasserstoffen, z.B. HCl, HBr Rückreaktion: Eliminierung
• Welche Carbeniumionen können als Zwischenprodukt der Additionsreaktion entstehen? Und welche Endprodukte entstehen? sekundäres Carbeniumion: 2-Chlorpropan primäres Carbeniumion: 1-Chlorpropan
• Isotope Nuklide mit derselben Ordnungs- = Protonenzahl (daher gleiches Element), aber unterschiedlicher Neutronenzahl.
• Beispiel für ein Element, das als Isotopengemisch vorliegt, ohne dass es im PSE erkennbar ist, und geben sie die einzelnen Isotope dieses Elements an. Wasserstoff: H-1, H-2 (Deuterium), H-3 (Tritium)
• Was versteht man unter Quantenzahlen? Welche Quantenzahlen gibt es und was beschreiben diese jeweils? Ein Elektron kann aufgrund von sog. Quantenzahlen beschrieben werden. Mit Quantenzahlen lässt sich der Zustand jedes einzelnen Elektrons beschreiben. Für das Orbitalmodell werden vier Quantenzahlen ausgegeben. Es kann keine 2 Elektronen in einem Atom geben, die sich nicht mindestens durch eine Quantenzahl unterscheiden. Die Hauptquantenzahl, n, bezeichnet die Schale, der ein Elektron angehört, 1, 2, 3… (entsprechend k, l, m… im bohrschen Modell). Gibt also die Energiestufe (Schale) des Elektrons an;Die Nebenquantenzahl, l, bezeichnet die Unterschale, n-1 = l, l = 0,1, 2, 3...; Sie bestimmt also die Art des Orbitals in dem sich das Elektron befindet.Die Magnetquantenzahl, m, beschreibt die räumliche Ausrichtung der Unterschale im Magnetfeld, Werte: -1, 0, +1...Die Spinquantenzahl, s, kann den Wert +1/2 oder -1/2 annehmen, je nach Drehrichtung des Elektrons, beschreibt also die Eigenrotation des Elektrons.Aufgabe 2
• Welche 3 Regeln gelten für das Auffüllen der Orbitale mit Elektronen (Besetzungsregeln)? Energieprinzip: Energieärmere Orbitale werden immer zuerst besetzt. Pauli-Prinzip: Keine zwei Elektronen dürfen in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen. Sie unterscheiden sich zumindest in ihrer Spinquantenzahl (durch nach oben, oder nach unten gerichtete Pfeile dargestellt). Hundsche Regel: Orbitale werden so besetzt, dass immer die maximale Anzahl ungepaarter Elektronen mit parallelem Spin vorliegt; Erst wenn alle Orbitale gleicher Energie einfach besetzt sind, erfolgt das Auffüllen mit Elektronen mit entgegengesetztem Spin.
• Die Energie, die erforderlich ist, um einem Atom im Grundzustand das am schwächsten gebundene Elektron zu entreißen, nennt man: Ionisierungsenergie
• Was bedeutet der Begriff "Elektronegativität"? EN ist ein Maß für die Fähigkeit eines Atoms, Bindungselektronen in einer kovalenten Bindung anzuziehen.
• Welches ist das elektronegativste Element? Fluor
• In Verbindungen kann aus den Elektronegativitäten der beteiligten Elemente abgeschätzt werden, welcher Bindungstyp vorliegt. Erläutern Sie dieses Verfahren für die metallische Bindung, die Ionenbindung und die kovalente Bindung. Metallische Bindung: Summe der EN klein, Unterschied kleinIonenbindung: Unterschied der EN großKovalente Bindung: Summe der EN groß, Unterschied klein
• Benennen Sie die 4 schwachen Bindungen und ordnen Sie diese nach Ihrer Bindungsstärke Komplexbindung > Wasserstoffbrückenbindung > Dipol-Dipol-Wechselwirkung > Van-der-Waals Kräfte
• Die Ionenbindung ist eigentlich keine chemische Bindung. Warum? Formal gibt das Metall Elektronen an das Nichtmetall ab, aber nur formal, da die Bindung in der Regel nicht unmittelbar aus den Elementen erfolgt. Die Ionen sind meistens schon vorher gebildet. Die Bindung im Salzkristall beruht auf elektrostatischer Anziehung zwischen den gegensätzlich geladenen Ionen. Also ist es keine Chemie (=Beteiligung der Elektronenhülle) sondern Physik (elektrostatische Anziehung).

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