Chemie â Grundwissen der 9 - Melanchthon-Gymnasium Nürnberg
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<strong>Chemie</strong> - <strong>Grundwissen</strong> <strong>der</strong> 9. Jahrgangsstufe<br />
Die Inhalte des <strong>Chemie</strong>unterrichts <strong>der</strong> 9. Jahrgangsstufe am humanistischen <strong>Gymnasium</strong> sind im<br />
Folgenden stichpunktartig zusammengestellt. Das Beherrschen und Anwenden dieses<br />
<strong>Grundwissen</strong>s ist die notwendige Voraussetzung für eine sinnvolle Erweiterung und Vertiefung des<br />
Faches <strong>Chemie</strong> in <strong>der</strong> 10. Jahrgangsstufe.<br />
1. Stoffe und Reaktionen<br />
1.1 Reinstoffe (Bsp. Wasser) besitzen bei gleichen Bedingungen (Temperatur, Druck) bestimmte<br />
qualitative und quantitative Eigenschaften: z.B. Farbe, Dichte, Geruch, Aggregatzustand,<br />
Schmelz- und Siedetemperatur. Messbare Stoffeigenschaften (Dichte, Schmelz- und Siedetemperatur)<br />
werden als Kenneigenschaften bezeichnet.<br />
1.2 Eine Verbindung ist ein Reinstoff, <strong>der</strong> sich in Elemente zerlegen lässt. Ein Element ist ein<br />
Reinstoff, <strong>der</strong> sich mit chemischen Verfahren nicht weiter in an<strong>der</strong>e Stoffe zerlegen lässt. Ein<br />
Element besteht aus gleichartigen Atomen. Ein Molekül ist ein Atomverband, <strong>der</strong> bei<br />
Elementen aus gleichartigen Atomen, bei Verbindungen aus verschiedenartigen Atomen<br />
besteht.<br />
1.3 Unter einer Analyse versteht man die Zerlegung einer Verbindung in einfachere Bestandteile,<br />
häufig in Elemente. Bsp.: Wasser Sauerstoff + Wasserstoff<br />
Die Synthese ist die Vereinigung von Elementen zu einer Verbindung.<br />
Bsp.: Magnesium + Sauerstoff Magnesiumoxid<br />
Die Umsetzung ist die Kopplung von Analyse und Synthese. Bei einer Umsetzung entstehen<br />
aus zwei o<strong>der</strong> mehr Edukten (= Ausgangsstoffe) zwei o<strong>der</strong> mehr Produkte (= Endstoffe).<br />
Bsp.: Wasser + Magnesium Wasserstoff + Magnesiumoxid<br />
1.4 Energiebeteiligung<br />
Eine Reaktion, bei <strong>der</strong> Wärme abgegeben wird, ist eine exotherme Reaktion.<br />
Eine Reaktion, bei <strong>der</strong> Wärme aus <strong>der</strong> Umgebung entzogen wird, ist eine endotherme<br />
Reaktion. Die Aktivierungsenergie ist die Energie, die zum Starten einer chemischen<br />
Reaktion benötigt wird. Ein Katalysator ist ein Stoff, <strong>der</strong> Reaktionen beschleunigt, indem er die<br />
Aktivierungsenergie erniedrigt, dabei selbst aber nicht verbraucht wird.<br />
1.5 Chemische Formeln und Formelgleichungen<br />
Die Molekülformel (Bsp.: H 2 O) gibt die beteiligten Atomsorten in ihrer tatsächlichen Anzahl<br />
wie<strong>der</strong>.<br />
Die Verhältnisformel (Bsp.: AlCl 3 ) gibt nur das Zahlenverhältnis <strong>der</strong> Ionen in <strong>der</strong> Verbindung<br />
wie<strong>der</strong>.<br />
Die stöchiometrische Wertigkeit eines Elements ist die Anzahl <strong>der</strong> Wasserstoffatome, die<br />
von einem Atom dieses Elements gebunden werden kann. Die Wertigkeit lässt sich aus dem<br />
Periodensystem <strong>der</strong> Elemente (PSE) ablesen:<br />
Hauptgruppennummer I II III IV V VI VII<br />
Wertigkeit 1 2 3 4 3 2 1<br />
Sind mehrere gleichartige Ionen, Atome o<strong>der</strong> Atomgruppen miteinan<strong>der</strong> verbunden, so<br />
drückt man dies durch eine tiefgestellte Zahl aus, den Index. Der Index (Plural: Indices) steht<br />
hinter dem Elementsymbol o<strong>der</strong> hinter <strong>der</strong> in Klammern stehenden Atomgruppe, auf die er<br />
sich bezieht.<br />
Die Zahl vor einer Formel, <strong>der</strong> Koeffizient, bezieht sich auf das gesamte folgende Teilchen<br />
mit allen enthaltenen Ionen o<strong>der</strong> Atomen.<br />
1.6 Erstellung einer Formel:<br />
- Elementsymbole nebeneinan<strong>der</strong> schreiben<br />
- Feststellen <strong>der</strong> Wertigkeiten (aus dem Namen o<strong>der</strong> aus Hauptgruppe des PSE)<br />
- Ermitteln des kleinsten gemeinsamen Vielfachen (kgV) <strong>der</strong> jeweiligen Wertigkeiten<br />
- kgV dividiert durch die jeweilige Wertigkeit ergibt den Index des Elemtsymbols
1.7 Reaktionsgleichungen<br />
Eine Reaktionsgleichung gibt an, welche Teilchen in welchem kleinstmöglichen Teilchenanzahlverhältnis<br />
miteinan<strong>der</strong> reagieren bzw. entstehen.<br />
1.8 Erstellung einer chemischen Formelgleichung<br />
- Elementsymbole <strong>der</strong> Edukte (= Ausgangsstoffe) stehen links vom Reaktionspfeil.<br />
- Elementsymbole <strong>der</strong> Produkte (= Endstoffe) stehen rechts vom Reaktionspfeil.<br />
- Bei Stoffen die im elementaren Zustand vorkommen prüfen, ob sie zweiatomig sind<br />
(H 2 , O 2 , N 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 , F 2 ).<br />
- Bei Verbindungen ist die Formel über den Namen o<strong>der</strong> die Wertigkeit zu ermitteln.<br />
- Ausgleichen, d.h. mathematisches Richtigstellen durch Einsetzen von Koeffizienten.<br />
- Indices von Verbindungen dürfen nicht verän<strong>der</strong>t werden.<br />
- Probe: Die Anzahl <strong>der</strong> Atome eines Elements (Produkt aus Koeffizient und Index) muss auf<br />
beiden Seiten einer Gleichung identisch sein.<br />
2. Atombau und gekürztes Periodensystem <strong>der</strong> Elemente (PSE)<br />
2.1 Das Atom ist das kleinste Teilchen eines Elements. Negativ geladene Elektronen (e - ) bilden<br />
die Atomhülle, die positiv geladenen Protonen (p + ) und die neutralen Neutronen (n) bilden<br />
den Atomkern. Die Protonenzahl definiert die Atomart. Die Nukleonenzahl ist die Anzahl <strong>der</strong><br />
Kernbausteine. Sie gibt die Masse <strong>der</strong> Atomsorte in <strong>der</strong> Einheit u an und wird daher auch als<br />
Massenzahl bezeichnet. Isotope sind unterschiedliche Atomsorten eines Elements, die sich in<br />
ihrer Neutronenanzahl und damit in ihrer Masse unterscheiden.<br />
Beispiel: Kohlenstoff<br />
Massenzahl od.<br />
Nukleonenzahl<br />
Kernladungszahl<br />
Protonenzahl<br />
Elektronenzahl<br />
Ordnungszahl<br />
2.2 Energiestufenmodell <strong>der</strong> Atomhülle<br />
Die Ionisierungsenergie (IE) ist die Energie, die aufgebracht werden muss, um ein Elektron aus<br />
einem isolierten Atom abzutrennen. Dabei entsteht ein positiv geladenes Ion, ein Kation.<br />
Die Ionisierungsenergiebeträge für verschiedene Elektronen eines Atoms unterschieden sich.<br />
Daraus lassen sich das Energiestufenmodell (mit Hauptquantenzahlen n = 1, 2, 3, ...7<br />
gekennzeichnet) und das Schalenmodell (mit K-, L-, M-, ...Q-Schalen gekennzeichnet)<br />
ableiten. Die maximale Elektronenanzahl pro Energiestufe errechnet sich aus <strong>der</strong><br />
Hauptquantenzahl [ 2n 2 ].<br />
2.3 Periodensystem <strong>der</strong> Elemente (PSE)<br />
Im Periodensystem sind die Atomarten nach steigen<strong>der</strong> Protonenzahl angeordnet. Atome mit<br />
<strong>der</strong> gleichen Anzahl von Außenelektronen (sog. Valenzelektronen) stehen in Gruppen<br />
untereinan<strong>der</strong>. Atomarten einer Gruppe zeigen ein ähnliches chemisches Verhalten.<br />
- Die Gruppennummer (I – VIII) gibt die Anzahl <strong>der</strong> Valenzelektronen <strong>der</strong> Atome an.<br />
- Die Periodennummer (1-7) gibt die Anzahl <strong>der</strong> Energiestufen (bzw. Schalen) an, auf denen<br />
die Elektronen des betreffenden Atoms verteilt sind. Valenzelektronen befinden sich auf <strong>der</strong><br />
höchsten Energiestufe (bzw. äußersten Schale).<br />
- In einer Periode nimmt <strong>der</strong> Atomradius von links nach rechts ab.<br />
- In einer Gruppe nimmt <strong>der</strong> Atomradius von oben nach unten zu.<br />
- Metalle stehen im Periodensystem links einer gedachten Diagonalen von Bor zu Astat.<br />
- Nichtmetalle stehen im PSE rechts <strong>der</strong> Diagonalen von Bor zu Astat.<br />
12<br />
6 C
2.4 Edelgasregel<br />
In chemischen Reaktionen erreichen Atome durch Abgabe o<strong>der</strong> Aufnahme von Elektronen die<br />
gleiche Anzahl von Valenzelektronen wie die Edelgasatome <strong>der</strong> nächstgeringeren o<strong>der</strong> gleichen<br />
Periode. Dabei entstehen stabile Ionen mit sogenannter Edelgaskonfiguration.<br />
3. Chemische Bindung<br />
3.1 Salze – Ionenbindung<br />
Metallatome besitzen relativ wenige Valenzelektronen. Sie geben bei chemischen Reaktionen<br />
bis zur Erreichung <strong>der</strong> Edelgaskonfiguration Elektronen ab und werden zu positiv geladenen<br />
Kationen. Metallatome sind Elektronendonatoren. Bsp.: Na Na + + e -<br />
Nichtmetallatome verfügen über relativ viele Valenzelektronen. Bei chemischen Reaktionen<br />
nehmen sie bis zur Erreichung <strong>der</strong> Edelgaskonfiguration Valenzelektronen auf und werden zu<br />
negativ geladenen Anionen. Sie wirken als Elektronenakzeptoren. Bsp.: Cl 2 + 2 e - 2 Cl -<br />
Die Ionenbindung ist die chemische Bindung, die in Salzen als Anziehungskraft zwischen<br />
Kationen und Anionen wirkt. Dabei entsteht ein Ionengitter.<br />
Beispiel einer Salzbildungsreaktion aus Metall und Nichtmetall<br />
1. Teilgleichung 2 Na 2 Na + + 2 e - (Elektronenabgabe)<br />
2. Teilgleichung Cl 2 + 2 e - 2 Cl - _____ (Elektronenaufnahme)<br />
Ionengleichung 2 Na + Cl 2 2 Na + + 2 Cl -<br />
Stoffgleichung<br />
2 Na + Cl 2 2 NaCl<br />
Salze sind also Stoffe, die z.B. aus positiv geladenen Metallkationen und negativ geladenen<br />
Nichtmetallanionen bestehen. Bsp.: NaCl Na + + Cl -<br />
Cl -<br />
Cl - Na + Cl - Na + Cl - Na + Cl -<br />
Na + Cl - Na + Cl - Na + Cl - Na +<br />
ClNa - + Na + Cl - ClNa - + Na + Cl - ClNa - + Na + Cl - ClNa - +<br />
Cl - Na + Cl - Na + Cl - Na +<br />
Na + Cl - Na + Cl - Na + Cl - Na +<br />
Cl - Schematischer Ausschnitt eines<br />
Na + Cl - Na + Cl - Na + Cl - Natriumchloridkristalls (Kochsalz).<br />
Na + Cl - ClNa - + Na +<br />
Cl - ClNa - + Na +<br />
Cl - ClNa - + Na +<br />
Cl -<br />
3.2 Molekular gebaute Stoffe – Elektronenpaarbindung<br />
Die Elektronenpaarbindung ist die chemische Bindung, die zwischen Nichtmetallatomen<br />
auftritt. Die an <strong>der</strong> Bindung beteiligten Atome verfügen gemeinsam über Valenzelektronenpaare<br />
und erreichen auf diese Weise die Edelgaskonfiguration. Dabei entstehen Moleküle.<br />
.. ..<br />
. O.. Wassermolekül<br />
H H<br />
O C<br />
O<br />
Kohlenstoffdioxidmolekül<br />
Je nach Anzahl <strong>der</strong> gemeinsam beanspruchten Elektronenpaare kommen Einfach-, Doppelund<br />
Dreifachbindungen vor. Beispiele:<br />
H H ; O O ; IN NI
Regeln zur Erstellung von Valenzstrichformeln:<br />
- Addiert man die Anzahl <strong>der</strong> Valenzelektronen <strong>der</strong> beteiligten Atome, erhält man die im<br />
Molekül insgesamt vorhandenen Valenzelektronen.<br />
- Man ermittelt die Gesamtzahl <strong>der</strong> Valenzelektronen, welche die isoliert betrachteten Atome<br />
in ihrer Edelgaskonfiguration hätten.<br />
- Man ermittelt die Zahl <strong>der</strong> bindenden Elektronen als Differenz zwischen dieser Gesamtzahl<br />
und <strong>der</strong> Zahl <strong>der</strong> vorhandenen Elektronen.<br />
- Man berechnet die Zahl <strong>der</strong> freien Elektronen als Differenz zwischen <strong>der</strong> Zahl <strong>der</strong><br />
vorhandenen Valenzelektronen und <strong>der</strong> Zahl <strong>der</strong> bindenden Elektronen.<br />
- Aufstellen <strong>der</strong> Valenzstrichformel unter Beachtung <strong>der</strong> Edelgasregel; Wasserstoffatome sind<br />
stets einwertig und daher endständig; symmetrische Atomanordnung ist bevorzugt.<br />
3.3 Metalle – Metallbindung<br />
Metallbindung ist die chemische Bindung, die in elementaren Metallen o<strong>der</strong> Legierungen<br />
vorkommt. Sie resultiert aus <strong>der</strong> Anziehungskraft zwischen den positiv geladenen Metallatomrümpfen<br />
und dem aus den Valenzelektronen gebildeten Elektronengas.<br />
+ + + +<br />
+ + + +<br />
+ + + + +<br />
+ + + + +<br />
+ + + +<br />
+ + + +<br />
Die Metallatome stellen ihre Valenzelektronen<br />
dem gemeinsamen Gitter<br />
zur Verfügung. Die positiv geladenen<br />
Atomrümpfe +<br />
besetzten die Gitterplätze einer<br />
dichtesten Kugelpackung.<br />
Die Valenzelektronen sind<br />
beweglich und delokalisiert. Sie bilden<br />
das „Elektronengas“.<br />
4. Quantitative Aspekte chemischer Reaktionen<br />
Atom- und Molekülmasse<br />
Die Masse eines Teilchens (Atom, Molekül, Ion) wird in <strong>der</strong> atomaren Masseneinheit u angegeben.<br />
1u ist definiert als <strong>der</strong> 12. Teil <strong>der</strong> Masse eines Atoms des Kohlenstoffisotops 12 C.<br />
Für die Angabe <strong>der</strong> Quantität einer Stoffportion stehen folgende Größen zur Verfügung:<br />
Größe Einheit Größe Einheit<br />
Stoffmenge n mol (Stoffmengen-)Konzentration c mol / l<br />
Molare Masse M g / mol Molares Volumen V m l / mol<br />
Masse m g Volumen V l<br />
Avogadro-Konstante N A mol -1 Teilchenanzahl N -
Zusammenhänge zwischen diesen Größen:<br />
Die Stoffmenge n ist direkt proportional zu <strong>der</strong> Teilchenanzahl N.<br />
Die Avogadro-Konstante N A ist <strong>der</strong> Quotient aus <strong>der</strong> Teilchenanzahl einer Stoffportion und <strong>der</strong><br />
Stoffmenge dieser Stoffportion:<br />
N(<br />
X )<br />
1<br />
N A<br />
( X ) = ; [ N A<br />
] =<br />
n(<br />
X )<br />
mol<br />
Die Avogadro-Konstante hat für alle Stoffe den gleichen Wert:<br />
23 1<br />
N A<br />
= 6,02 ⋅10<br />
mol<br />
Die molare Masse M ist <strong>der</strong> Quotient aus <strong>der</strong> Masse einer Stoffportion und <strong>der</strong> Stoffmenge dieser<br />
Stoffportion:<br />
m(<br />
X ) g<br />
M ( X ) = ; [ M ] = 1<br />
n(<br />
X ) mol<br />
Die molare Masse ist abhängig von <strong>der</strong> Stoffart.<br />
Der Zahlenwert <strong>der</strong> Atom- o<strong>der</strong> Molekülmasse ist gleich dem Zahlenwert <strong>der</strong> molaren Masse.<br />
Das molare Volumen V m ist <strong>der</strong> Quotient aus dem Volumen einer Stoffportion und <strong>der</strong> Stoffmenge<br />
dieser Stoffportion:<br />
V ( X )<br />
V m<br />
( X ) = ;<br />
n(<br />
X )<br />
[ V m<br />
] = 1<br />
l<br />
mol<br />
Das molare Volumen ist von <strong>der</strong> Stoffart und wie das Volumen von Druck (p) und Temperatur (T)<br />
abhängig.<br />
Das molare Normvolumen V mn ist <strong>der</strong> Quotient aus dem Normvolumen V n einer Stoffportion und<br />
<strong>der</strong> Stoffmenge dieser Stoffportion:<br />
V<br />
( X )<br />
mn<br />
=<br />
Vn<br />
( X )<br />
;<br />
n(<br />
X )<br />
Für gasförmige Stoffportionen ist das molare Normvolumen (bei T = 0 °C und p = 10 5 Pa)<br />
l<br />
unabhängig von <strong>der</strong> Stoffart und beträgt: V mn<br />
= 22 , 4<br />
mol