Chemie gA Klasse 11
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Chemie gA Klasse 11 Nicolai Radke, Valentin Boettcher, 11/3 21. Juni 2015 Inhaltsverzeichnis 1 Hausaufgaben 1.1 Experiment zum nachweis einer Ionenbindung in N aCl 1.2 Jod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Löslichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 HA: 1.10/S.27.1/30.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 4 4 4 2 Chemische Bindung, Struktur und Eigenschaften von Stoffen 2.1 Zusammenhänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Eigenschaften von Stoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Ionensubstanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Ionenbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Molekülsubstanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Zusammenhang elektrische Leitfähigkeit und Chemischer Bindung in Molekülen 2.4.2 Dipolmoleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Zwischenmolekulare Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4 Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Abbau von Ionengittern - Lösungsvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Anorganische Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2 Kohlenstoffmodifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Atombau PSE Nebengruppenelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.1 Aufbau der Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.2 Elektronenhülle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.3 Elektron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.4 Zusammenhang Atombau-PSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.5 Zusammenhang Atombau-PSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.6 Max Anzahl der Elektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.7 Energieniveau der Atomhülle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.8 Elektronenkonfig in Elektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.9 Zusammenhang Atombau PSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.10 Mögliche Elektronenkonfigurationen/Oxidationszahlen . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.11 OZ Nebengruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.12 Redoxreaktionen der NGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.13 Reakt. von Zink im HCl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.14 Mg + Schwefelsäure, Redoxreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.15 RM Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.16 Mangan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.17 NGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.18 Sauerstof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.19 Metall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.20 Redoxreihe der Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 5 5 6 7 7 8 8 8 9 9 10 10 10 11 11 11 11 12 12 12 12 12 13 13 13 13 13 14 14 15 16 16 16 16 3 Elektrochemie 3.1 Arten von Leitern . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Elektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Starke/Schwache Elektrolyte . . . 3.2.2 Lösen von Pot el. . . . . . . . . . . 3.3 Elektrodenkpotential . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Standartelektrodenpotential SEP . 3.3.2 Elektrochemische Spannungsreihe 3.3.3 Galvanische Elemente . . . . . . . 3.3.4 Elektrochemische Spannungsreihe 3.3.5 Elektrochemische Reaktionen . . 3.3.6 Technische Anwendung . . . . . . 3.3.7 Echem Korrosion . . . . . . . . . . 3.3.8 Korrosionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 18 18 18 18 19 19 19 19 20 21 21 22 22 . . . . . . . . . . . . . 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.9 Blei Akkumulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 22 1 Hausaufgaben 1.1 Experiment zum nachweis einer Ionenbindung in N aCl • Aufgabe: Weisen sie durch folgendes Experiment nach, das N aCl eine Ionensubstanz ist! • Materialien/Geräte/Chemikalien: – 0.25L destiliertes Wasser – Becken – 3 Kabel – 1 Leuchtelement – 2 Lektrodenplatten – 1 Stromversorgungsgerät – 20g N aCl • Durchführung: 1. Bauen sie eine elektrische Schaltung nach folgendem Schaltplan: 2. Füllen sie destiliertes Wasser in das Becken. 3. Legen sie eine Spannung an und beobachten sie die Glühlampe. 4. Lösen sie nun N aCl im Becken und Beobachten sie diese erneut. • Beobachtung/Ergebnisse/Schlussfolgerungen (Prognose): Da die Lampe vor dem Lösen des N aCl nicht leuchtetete, ist anzunehmen, das im destilierten Wasser keine elektrischen Ladungsträger vorhanden sind. Sobald das dest. Wasser jedoch mit N aCl versetzt wurde leuchtete die Lampe auf. Daraus ist zu schließen, dass nun el. Ladungsträger vorhanden sind. Diese Tatsache weist die Ionenbindung in N aCl nach, da Wasser Ionensubstanzen in Ionen spaltet, welche dann als Ladungsträger dienen und somit die Lampe zum leuchten Bringen. 4 1.2 Jod 1.2.1 Löslichkeit • Lösungsmittel: – gut löslich in organischen Stoffen – Lösungen in unpolaren Lösungsmitteln -> violett – Lösungen in Benzol, Tuluol -> rot – Lösungen in Ethet, Aminen, Alkoholen -> braun • Reaktion mit Wasser: – I2 + 2H2 O ←→ I− + HIO + H3 O+ – I2 + 2OH− ←→ I− + IO− + H2 O − – 3IO− −→ IO− 3 + 2I 1.3 HA: 1.10/S.27.1/30.2 • 27/1 – a) * Siehe Anhang 5 2 Chemische Bindung, Struktur und Eigenschaften von Stoffen 2.1 Zusammenhänge Atombau ⇒ Chemische Bindung ⇒ Struktur z }| { P hysische und Chemische Eigenschaf ten 2.2 Eigenschaften von Stoffen • Physikalische Eigenschaften: – Dichte – Siede/Schmelztemperatur ⇒ Aggregatzustand – molare Masse – Farbe – Verformbarkeit – Magnetismus – Viskosität • Chemische Eigenschaften: – Stoffe mit denen Bindungen eingegangen werden./Reaktionsfähigkeit – Löslichkeit gegenüber anderen Stoffen / gegenüber Wasser – Leitfähigkeit für elektrischen Strom – Energieumwandlung bei chemischen Reaktionen – Brennbarkeit – Korrosionsbeständigkeit • Physiologische Eigenschaften: – Geruch – Geschmack – Toxizität 2.3 Ionensubstanzen • Bsp: – N aCl – M gCl2 – N a2 SO4 – N a2 SO3 – M gSO3 – M gSO4 – N a3 P O 4 – M g3 (P O4 )2 – Al2 O3 – M gBr2 • Def: Ionen sind elektrisch geladene Teilchen, die durch Abgabe bzw.. Aufnahme von Elektronen aus Atomen entscheiden. 6 • Positiv elektrisch geladen (Kationen): – – – – – – M g 2+ N a1+ Al3+ H 1+ H3 O1+ N H41+ • Negativ elektrisch geladen (Anionen): – – – – Cl1− O2− HCOO1+ OH 1− • Gleichungen für die Bildung von Ionen: 1. Na ⇒ Na+ + e− (; Ionisierungsenergie Energie, ∆E) 2. Cl + e− ⇒ Cl− (; Elektronanoaffinität, ∆E) 3. n ∗ N a + n ∗ Cl ⇒ n ∗ N aCl • Bildung aus Metallatomen mit wenig Außenelektronen und Nichtmetallatomen mit relativ vielen Außenelektronen. ,→ Chlor (En 3,0) entreißt Natrium (En 0,9) ein Elektron. ⇒ Bildung von Ionen. • Elktronegativitätsdifferenz: 0 - Atombindung, 0-1,7 polare Atombindung 2.3.1 Ionenbindung Die ionische Bindung (auch Ionenbindung, heteropolare Bindung oder elektrovalente Bindung) ist eine chemische Bindung, die auf der elektrostatischen Anziehung positiv und negativ geladener Ionen basiert. • Bildung von Ionenkristallen/Ionengittern: 1. hohe Anziehungskraft zwischen An- und Kationen 2. Da die Kräfte nicht gerichtet (wirken in alle Richtungen des Raumes) sind wirken sie gleich um jedes Ion herum. 3. Somit ordnen sich die Ionen gleichmäßig in einem Gitter (Ionenkreistal) an. • N aCl Koordinationszahl 6 - Oktaeder Eigenschaft fest, hart, nicht verformbar Erklärung hohe Anziehungskräfte zw. entgegengesetzt gel. Ionen -> Ausbildung Gitter starke kinetische Einwirkung -> verrutschen der Gitterstruktur -> Ionen, gleichnamig geladene Ionen nebeneinander -> Abstoßung -> Bruch keine freien Lad. Träger starke Anziehungskraft -> viel Energie feste (Gitter-)Struktur zu lösen Wasser spaltet Ionensubstanz auf -> freie Ladungsträger in Form von Ionen / freie Ladungsträger Wasser stark polar, Spaltet Ionen auf, Wechselwirkung Ionen mit Dipolmolekül Wasser, Wassermoleküle lagern sich entsprechend ihrer Ladungsschwerpunkte an Ionen (+-) an -> Hydration/Hydratitsierung KCl + aq ⇒ K + (aq) + Cl− (aq) spröde nicht elektrisch Leitfähig (wenn fest) hohe Schmelz/Siedetemp. el leitfähig in wässr.. Lsg / Schmelzen in Wasser sehr gut lösl. 7 2.4 Molekülsubstanzen • Beispiele: – H2 O – H2 SO4 – K3 P O4 – O2 – N2 • Bausteine: Moleküle • max. Konzentration Säure = Masse Säuremolekül • Bildung: – Nichtmetallatom + Nichtmetallatom = Molekül – H. + .H ⇒ H − H – N + N ⇒ N2 -> mit jew. 2 nicht bindende Elektronen, N - Reaktionsträge, geht aus jed. Reaktion unverändert hervor – H + Cl ⇒ HCl - 3 nicht bindende Elektronenpaare • Chlor – Gasförm – Grün – charakteristischer Geruch • Brom – Flüssig./leicht Flüchtig – Toxisch – Bromwasser: Nachweis von Mehrfachbindungen • Iod – Fest – Nachweis: Stärke – Antiseptisch – Sublimiert! – Lösbarkeit: * * * * * gut löslich in organischen Stoffen Lösungen in unpolaren Lösungsmitteln -> violett Lösungen in Benzol, Tuluol -> rot Lösungen in Ethet, Aminen, Alkoholen -> braun nicht löslich in Anorganischen Stoffen 2.4.1 Zusammenhang elektrische Leitfähigkeit und Chemischer Bindung in Molekülen Chem. Bindung Atombindung: gemeinsame Elentronenpaare zwischen den Atombindungen, Anziehungskräfte zwischen Elektronenpaaren und Atomkernen => Unpolare Moleküle BSP. siehe Anhang Polare Atombindung: gemeinsames Elektronenpaar hält sich näher bei einem der Atome auf => Entstehung verschiedener Ladungsschwerpunkte, BSP Anhang Elektrische Leitfäigeit keine el. Leitfähigkeit => keine Dissoziation in Wasser = Nichtelektrolyte dissoziieren im Wasser (da Dipol), Ionenbildung => wässr. Lsg. el. Leitfähig = Elektrolyte 8 2.4.2 Dipolmoleküle • BSP: siehe Anhang • CO2 Unpolar, Ladungsschwerpunkte heben sich auf • Ursachen für Dipolbildung: – unterschiedliche Kernladungszahlen – unterschiedliche Anziehungskraft zwischen Elektronen und Kern – Mit zunehmender Anzahl der Eletronenschalen wird die Anziehungskraft zwischen Kern und Aussenelektronen geringer. – Elektronegativität = Wert für Stärke der Anziehung der Elektronen, Willkürlich festgelegt (max 4) 2.4.3 Zwischenmolekulare Wechselwirkungen • Anziehungskräfte zwischen den Molekülen = Van-der-Waals-Kräfte – zwischen Dipolmolekülen da Anziehung Ladungsschwerpunkte -> Größere Kräfte als bei flüchtigen Dipolen (Dipol-Dipol + Dispersions Kräfte) – auch zwischen Unpolaren Molekülen da kurzzeitige Ladungsverschiebung (flüchtiger Dipol) -> Induktion weiterer Dipole in Nachbarmolekülen -> Dispersionskräfte (Größe mit molarer Masse proportional) – feste Molekülsubstanzen -> Molekülkristalle – schwache Kräfte -> niedrige Schmelztemperaturen (z.B. sublimiert Iod) • Wasserstoffbrückenbindung: – zwischen Molekülen aus Wasserstoff und Stark Elektronegativen Elementen (H2 O, Elemente V VI Hauptgruppe, Ammoniak, Fluorwasserstoff) -> besonders stark Polare Bindung – an Wasserstoff Partialladung δ + , an Bindungspartnern δ − – Aufbau Bindung zwischen Positiver Wasserstoffpartialladung und negativer Partialladung der Bindungspartner = Wasserstoffbrückenbindung – ,→ hohe Schmelz-/Siedetemperaturen – in chemischen Formeln gestrichelte Linie – Molekülgitter Eis: * jedes Sauerstoffatom 2 Wasserstoffbrückenbindungen (größtmögliche Anzahl) -> fest * lockere Hohlraumstruktur, Oktaedrisch -> geringen Dichte (4°C größte Dichte -> Dichteanomalie) • Kräfte: Ionenbindung > Molekülbindung > Wasserstoffbrückenbindung > Van-der-Waals-Kräfte 2.4.4 Wasser • Eigenschaften: – Flüssig, stark Viskos – Durchsichtig – Geruchlos – Schmelz/Siede: 0, 100°C – nicht elektrisch Leitfähig – Nicht Brennbar – Löst Ionensubstanzen/Säuren/Basen • Struktur: 9 – Stark Polar – Dipol – Molekülsubstanz – Bausteine: 2H, O -> Wasserstoffbrückenbindung • Wasser (H2 O), 105° Bindungswinkel (Gewinkeltes Molekül) ist eine flüssige Molekülsubstanz (Polare Atombindung). Trotz trotz dieser Tatsache und aufgrund ihres Aufbaus herrschen relativ hohe Anziehungskräfte zwischen den einzelnen Molekülen. Da das Wassermolekül stark Polar ist (ENDifferenz von 1,4 zwischen O und H, auch wegen untersch. Atomradien), bilden sich Ladungsschwerpunkte heraus. Zusätzlich gefestigt wird die Substanz Wasserstoffbrückenbindungen. Daraus Resultiert auch eine relativ hohe Schmelz und Siedetemperatur. Durch die Polarität ist es Wasser möglich Ionensubstanzen und Säuren, aber auch mit Polaren Atombindungen zu lösen. Begründet durch die elektrische Neutralität der Moleküle ist Wasser elektrisch nicht leitfähig. 2.5 Abbau von Ionengittern - Lösungsvorgang Stoff mit Ionengitter Polares LM Beobachtungen KOH H2 O Erhitzung um ca. 60°C KCL Abkühlung auf 10°C • Chemischer Vorgang: Dipolmoleküle des Wassers lagern sich entsprechend der Ladungsschwerpunkte an Kristalloberfläche an. • Vorgänge: 1. Hydratisierung: Bindung der Wassermoleküle durch Dipolkräfte an Ionen 2. Gitterzerfall: Überwindung der Gitterenergie => Endotherm 3. Erwärmung: Hydratisierungsenergie > Zerfallsenergie 2.6 Metalle • Bausteine: – positive Metallionen – negative Elektronen • Chemische Bindung: Metallische Bindung Die Metallbindung ist ein Typ der chemischen Bindung, die bei Metallen und Legierungen vorkommt. Charakterisiert ist sie durch das Auftreten von frei beweglichen (delokalisierten) Elektronen in einem Metallgitter. (Da kleinere Ionisierungsenergie + weniger Valenzelektronen) – Entstehung: * * * * * Valenzelektronen nur schwach gebunden - können leicht Abgetrennt werden Metallatome geben Außenelektronen ab anordnen der Atome in einer regelmäßigen Struktur -> Gitter Elektronen sind nicht mehr einzelnen Atomen zugeordnet -> können sich frei bewegen Elektronen halten Metallionen im Gitter – Metallatome geben Valenzelektronen ab – Metallgitter aus positive Metallionen und negative Elektronen – Elektronen im Gitter frei beweglich 10 • Eigenschaften: Eigenschaft Fest, hohe Schmelz- und Siedetemperatur (niedriger als bei Ionensubstanzen), Verformbar elektrisch Leitfähig Kaltleiter Wärmeleitfäig Glänzend/Reflektierend Begründung Zusammenhalt durch Elektronenwolke (Metallionen können bewegt werden, da gleich geladen durch Elektronenwolke zusammengehalten, immer gleiche Anziehungs-/Abstoßungskraft; DA ungerichtet) Elektroeinwolke als freie Ladungsträger mit steigender Temperatur stärkere Schwingung der Metallionen -> Behinderung der Elektronen gute Übertragung von Schwingungen im Metallgitter schnelle Bewegung der Elektronen -> Reflexion Photonen aller Wellenlängen -> Elektronen nehmen Energie der Photonen auf und geben sie bei Zusammenstoß mit andren Elektronen wieder ab • Metalldämpfe aus Metallatomen und Molekülen 2.7 Anorganische Polymere 2.7.1 Aufbau • Polymere Stoffe -> aufgebaut aus großen Atomverbänden -> Makromoleküle • Bindung: Atombindung (meist in 1/2 Raumrichtungen) • Ketten, Schicht, Raumnetzstruktur -> unterschiedliche Eigenschaften 2.7.2 Kohlenstoffmodifikationen • Diamant: – Atomgitter – jedes Kohlenstoffatom mit 4 Kohlenstoffatomen umgeben (Tetraeder) – C-C Bindung hohe Bindungsenergie -> Fest, Phasenumwandlung zu Graphit bei 1500°C – elektrischer Nichtleiter – farblos • Graphit: – übereinandergelagerte Ebenen/Schichten – sechsgliedrige Kohlestoffringe – Bindungsabstände zwischen Schichten > in Schichten, jeweils Bindung mit 3 Nachbaratomen – ungebundene freie Elektronen -> el. Leitfähig, Glanz, Farbe Schwarz – Schichten den Schichten -> geringere Van-der-Waals-Kräfte -> 104 mal höhere elektrische Leitfähigkeit, Verformbarkeit – thermische Zersetzung von synthetischen Fasern unter Luftausschluss (Pyrolyse) -> Graphitschichten parallel zu Faser -> hohe Zugfestigkeit, Elastizität • Fullerene: – Moleküle aus begrenzter Anzahl von Atomen -> Molekülsubstanzen – Stoffe aus Fullerenen -> Fullerite – bekannt: C6 0 Fullerit -> Hohlkugel aus 12 ebenen 5-Ecken und 20 6-Ecken -> Stabile Kugelstruktur – in unpolaren Stoffen gut löslich – Anwendung Schmiermittel, Halbleiter, Supraleiter (Nanoröhren), Medizin 11 2.8 Atombau PSE Nebengruppenelemente 2.8.1 Aufbau der Materie • Veranschaulichung komplexer Zusammenhänge, Erklärung komplizierter Sachverhalte, vorhersagen von Vorgängen und Phänomenen • Historische Entwicklung: – Dalton Anfang 19Jh. - Atome kleine harte undurchdringliche unteilbare Teilchen – Rutherford 1911 - Kern Hülle Elektronen um den Atomkern – 1913 Bohr - Atomorbitale * Korpuscharakter der Elektronen * Elektrohnenbahenn Kreise Ellipsen – Sommerfeld 1616 - Eletronenbahnen Ellipse – Heisenberg, Schrödinger 1927 - Wellenmechanisches Atommodell: Elektronen Wellencharakter 3d Stehende Materie: * Wellencharakter * Orbitale = Ladungswolken = Aufenthaltsräume für El. 90+-prozentiger Wahrscheinlichkeit • Atommodelle: – Schalenmodell – Energieniveau – Elektronenschreibweise • Atomkern • Elementarteilchen: • Hülle Elementarteilchen Proton Neutron Elektron Symbol p+ n0 e− Ladung Positiv Neutral Negativ Masse g 1.673 ∗ 10− 24 1.675 ∗ 10− 24 0.9109 ∗ 102 7 Masse in 1.007 1.009 0.0005 2.8.2 Elektronenhülle • Zusammenhang wischen Stofflicher Veränderungen und Änderung der Atomhülle – Flammenfarbe: * * * * * Natrium Kalium Calcium Barium Kupfer – Entstehen von Atomspektren: * bestehen aus Serien von Spektrallinien * jede SL entspricht einen Elektronenübergangs zwischen 2 Energieniveaus der Atomhülle * Erweiterung der Atomodelle – Rutherford 1911 - Kern Hülle Elektronen um den Atomkern – 1913 Bohr - Atomorbitale – Sommerfeld 1616 - Elektronenbahnen Ellipse 2.8.3 Elektron • neg. Elementarladung • sehr geringe relative Atommasse • untersch Energieinhalte • e− gleicher Energieinhalt = 1 Elektronenschale 12 2.8.4 Zusammenhang Atombau-PSE OZ: 12 HG: II Periode: 3 12 Protonen im Kern; 12 Elektronen in Hülle 2 Valenzelektronen 3 besetze Elektronenschaken • Anzahl Elektronenschalen = Hauptquantenzahl -n • Besetzung der Schalen: Berechnung nach Pauli: 2n2 2.8.5 Zusammenhang Atombau-PSE • Anordnung der Energieniveaus nach steigender Energie • Alle Energieniveaus weisen Unterniveaus auf • Anzahl Unterniveaus = Ziffer Energierginiveaus • Unterniveaus = Nebenquantenzahl • Ziffer Energieneiveas + Buchstaben s,p,d,f 2.8.6 Max Anzahl der Elektronen • s-2 • p-6 • d - 10 • f - 14 2.8.7 Energieniveau der Atomhülle Energieniveau 1 Unterniveau 1s2 2 2s2 2p6 3 2s2 3p6 3d1 0 4 4s2 4p6 4d1 0 4f 1 4 Gesamt 10 18 32 2 5 5s2 ... 2.8.8 Elektronenkonfig in Elektronen Anordnung der El. in Atomhülle Schreibweisen: • Außen -> Höchstes Energieniveau • Neben dem Symbol für die Bezeichnung der Elektronenorbitale (z.B. 1s) wird die Anzahl der el. durch die Hochgestellte Zahl angegeben. H(OZ : 1) : 1s1 ;He(OZ : 2) : 1s2 ; O(OZ : 1) : 1s2 2s2 2p4 ; P (OZ : 15) : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 ; Ar(OZ : 18) : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 • Paulinische Kästchenschreibweise: – Unterniveaus durch Kästchen symbolisiert = Aufenthaltsräume Elektronen – el Pfeile (Richtung Spin) – jed Kästchen 2 el mit entgegengesetzten Spin – Besetzung nach energetischen Gesichtspunkten (energiearm -> energiereich) – jed Kästchen 1 el -> Ausfüllen 13 • IV. Periode, Höchst besetzt 4s oder 4p -> Hauptgruppe; 3d -> Nebengruppe, Ausnahme voll halb besetzte Emergieniveaus -> Stabiler, ziehen el von 4s Cr, Cu • Zu den in der Reihe der Elemente fortschreitenden Aufbau der Elektronenschalen steuern die HGE s und p El., die NGE d El., die Lanthanoide und Actinoide f EL. bei. 2.8.9 Zusammenhang Atombau PSE • Periode - Anzahl der Energieniveaus • s, p Valenzelektronen -> HG • s, d Valenzelektronen -> NG • Kernladung -> Ordnungszahl 2.8.10 Mögliche Elektronenkonfigurationen/Oxidationszahlen • 7 EN -> 7 Perioden • s2 ; p6 -> 8HG; Gruppennummer = höchste OZ, s p Valenz El • d1 0 -> 10NG, 3-8 anz s d Valenzelektronen, 1 2 Anzahl s val. e • f 1 4 -> 14 Lanthanoide/Aktanode • beim erreichen der maximalen und minimalen OZ, HG -> Energie Arm -> Stabil, häufigste OZ, dazwischen weitere real. Stabile OZ zust Optimum: 8 • HG: Lehre Niveaus Stabil (siehe Hefte Chlor) 2.8.11 OZ Nebengruppe • NUR d s Valenzel. für chemische eig. von Bedeutung -> am höchsten, dicht beieinander • nur höchste OZ • mehr OZ, unterschiedlichere, z.B Mn 1 .. 7 • Chemie Reckt. -> Wechsel OZ da d energieuntersch. • Anstreben Stabile Edelgaskonfig • BSP Hefte 2.8.12 Redoxreaktionen der NGE • Hochofen • Alominothermisches Schweißen • Kupfergew. • Herstellung von Wasserstoff im Labor • Redoyreakt. = Reakt mit O2 überg. 2.8.13 Reakt. von Zink im HCl • Redox = Änderung der OZ • ox = OZ größer • Red = OZ Fällt • elektr... Übergang • OM: Stoff, Elektronen aufnehmen kann, Edlektronenakzeptor, OZ kleiner, Reduziert • RM: Stoff, Elektronen Abgabe, Elektronendonatoren, OZ größer, Oxidiert 14 2.8.14 Mg + Schwefelsäure, Redoxreaktionen • Wärmeentwicklung Exotherm -> Exo, Gasentwicklung -> Nachweis H2 -> misslungen Knallgas • Magnesium aufgelöst -> Magnesium Sulfat • Oxidation: M g ⇀ ↽ M g 2+ + 2e− • Reduktion: 2H + + 2e− ⇀ ↽ H2 • Redoxpaare: M g | M g 2+ ; 2H + | H2 ,→ wie verändern sich RM/OM bei Redoxreaktionen – OM nimmt Elektronen auf und wir zum RM – RM gibt Elektronen auf und wird zum OM – OM und RM Bilden eine Einheit in Form der Korrespondierenden Redoxpaare, da RM und OM ineinander übergehen. ⇀ OM + n ∗ e− – RM ↽ 2.8.15 RM Metalle • Experiment -> Eisen – Kumpferrsulfat + Eisennadel – CuSo4 ⇀ ↽ Cu2+ + SO42− , F E – Beobachtung * Dunkle Färbung Nagel -> Kupfer * Lösung * Gasbildung Korr. RP Cu|Cu2+ – Reaktion F e|F e2+ Gesamt Teilreaktion Cu2+ + 2e− ⇀ ↽ Cu 2+ Fe ⇀ F e + 2e− ↽ 2+ F e + Cu → F e2+ + Cu • Experiment -> Zink – Eisenchlorid + Zinkpulver ⇀ F e3+ + 3Cl− , Zn – F eCl3 ↽ – Beobachtung * gelb braun -> heller Korr. RP Zn|Zn2+ – Reaktion F e3+ |F e2+ Gesamt Teilreaktion Zn ⇀ ↽ Zn2+ + 2e− 2F e3+ + 2e− ⇀ ↽ 2F e2+ Zn + 2F e3+ → 2F e2+ + Zn2+ • Experiment -> Kaliumjodid – Eisenchlorid + Kaliumjodid * Mischfarbe * + Stärke Nachweis Jod Korr. RP J2 |2J − – Reaktion F e3+ |F e2+ Gesamt Teilreaktion 2J − ⇀ ↽ J2 + 2e− 3+ 2F e + 2e− ⇀ ↽ 2F e2+ − 3+ 2J + 2F e → 2F e2+ + J2 • Experiment -> Eisensulfat H2 SO4 , H2 O2 – Eisenchlorid + Kaliumchlorid 15 * Mischfarbe * + Stärke Nachweis Jod Korr. RP J2 |2J − – Reaktion F e3+ |F e2+ Gesamt Teilreaktion 2J − ⇀ ↽ J2 + 2e− 3+ 2F e + 2e− ⇀ ↽ 2F e2+ − 3+ 2J + 2F e → 2F e2+ + J2 2.8.16 Mangan • Mn: 25; Pauli in Hefter • OZ +1->+7 – +7 Violett – +2 Rosa Farblos – +4 Grau Scharz – +1 +5 Instabil – Eisen III braun • Thermische Zersetzung von Kaliumpermanganat – 1g Festsubstanz erhitzen -> Gas mit Holzspan prüfen – 2KM nO4 (+7) −→ KM nO4 (+6) + M nO2 (+4) + O2 – Verfärbung: Violet->Braun->Farblos • Mangan im sauren Milieu, stark verdünnte Kaliumpermanganatlöung + frische F e2+ – KM nO− > M n2+ – violett -> rosa/farblos – F e2+ − > F e3+ hellgrün -> gelbbraun 16 2.8.17 NGE Element Sc21 Vorkommen kommt nicht Elementar vor, seltene Mineralien T i22 in Erdkruste als Oxid, 0,565 Prozent an 9. Stelle der Elementhäufigkeit, Meteoriten Co27 seltenes Element mit einer Häufigkeit in der Erdkruste von ca. 0,004 Prozent, 30. Stelle, Elementar nur Meteoriten/Erdkern P b24 Blei kommt in der Erdkruste mit einem Gehalt von etwa 0,0018 Prozent vor[15] und tritt nur selten gediegen auf; 67 Millionen Tonnen; Mond Cd48 Anteil an der Erdkruste beträgt nur ca. 3∗10−5 Prozent, Gewinn als Nebenprodukt der Zinkverhüttung Natur nur sehr selten in gediegener Form, Größtenteils wird Chrom daher nur in gebundener Form vor allem als Mineral Chromit (Chromeisenstein) FeCr2O4 mit einem Chromanteil von etwa 46 Prozent im Tagebau oder in geringer Tiefe abgebaut. Cr24 Verwendung Hochleistungshochdruck quecksilberdampflampen, Legierungen sehr robust/beanspruchbar, in magnetischen Speichern -> Erhöhung der Ummagnetisierungsgeschwindigkeit Mikroregierungsbestandteil für Stahl, Korrosionsschutz, Anwendungen in Seewasser und chloridhaltigen Medien -> Schiffshauben, Meerwasser Entsalzungsanlage, Fahrradrahmen, Schrauben, Implantate Pigment, Hitzefeste Farben, blaues Glas, Erhöhung der Verschleiß- und Warmfestigkeit, Bindephase in Hartmetall-Sinterwerkstoffen und Diamantwerkzeugen, Lithium-Cobalt-Dioxid (LiCoO2) in Batterien Strahlenschutz, Metall/Legierung (Korrosionsbeständig), Akkus, Gewicht, Metallbauteile, Projektile, Gewichte, Bleiglas, Treibstoff, Toxisch: -> aus Luft/Wasser Krebserregend, Bleiablagerung im Körper -> Vergiftung in Haushaltsanwendungen Verboten, Korrosionsschutz, Akkumulatoren, Halbleiter, Glas Färben, hoch toxisch Legierungen Korrosion hitzebeständig, Verchromt, leicht Toxisch, Chrom IV Verbindungen -> Krebserregung 2.8.18 Sauerstof • 2.8.19 Metall • 3Cu + 2HN O3 3CuO + 2N O + H2 O + Gemisch Nitroser Gase 2.8.20 Redoxreihe der Metalle • BEW EXP. REIHENFOLGER DER ANGEGEBENNEN METLLE IN DER REDOXREIHE 17 • Geräte: – Reagenzgläser – RGS – Becherglas – Spatel • Geräte: – Cu;Fe;Zn;Ag – Eisen(II)sulfatlsg – Kupfer II Sulfatlsg – Zinksulfatls – Silbernitratlsg • Anordnung der Metalle in der Redoxreihe erfolgt, jeweils jeweils nachihrem Ox. vermögen (lsgbestreben), ELektronen Abgeben, reakt Metalle MEtallsalzlsg / Ionen • Zn Fe Cu Ag • Unedles Metall in Slazlsg -> Löst edles Metall aus Bindung • F e + Cu2+ → F e2+ + Cu F e + 2Ag 2+ → F e2+ , Weiteres siehe Hefter X|X|X|X|X Fe Cu Zn Ag F eSO4 J CuSO4 J, Rotbraun J ZnSO4 AgN O3 J, Silber J J - 3 Elektrochemie • Anwendung: – Energiespeicherung – Galvanisierung – Elektrolyse – Brennstoffzellen 18 3.1 Arten von Leitern Art Beispiel Metallische Leiter Kupfer, Magnesium, Legierungen Halbleiter Silizium, ZnO, Gallium Arsenid Elektrolytische Leiter Salze -> auch in festen Zustand wenn Baufehler Leitende Teilchen freie Elektronen, e− Elektronen e− An/Kat-Ionen 3.2 Elektrolyte Elektrolyte sind Stoffe die Ladungen durch wandernde Ionen Transportieren. • Echte Elektrolyte: – Ionensubstanzen die in Wasser durch Hydratisierung zu Ionen zerfallen. – Salze – N aCl → N a+ (aq.) + Cl− (aq.) • potentielle Elektrolyte: – Molekülsubstanzen mit mindestens polarer Atombindung welche in Wasser zu hydratisierten Ionen zerfallen – Säuren/Basen – N H3 + H2 O → N H4+ + OH − HA • Salze Lösen Endo-/Exotherm: -> unterschiedlich starke Bindung/Ladungsunterschied, Gitterenergie • Gem: -> Bilden Ladungsträger, Hydratisierte Ionen • Untersch: Echte: freihe Ionen nur bei LSG in Wasser, aus Ionenkristallen KCl, endo Exotherm Potentielle: Molekülsubstanzen, bilden erst in Wasser Ionen -> Hydratisiert, Säuren -> Exotherm 3.2.1 Starke/Schwache Elektrolyte • stare ELektrolyte: – Stoffe die in Wasser vollständig dissoziieren – N aOH N aCl Ba(OH)2 HCl HN O3 • schwache ELektrolyte: – Stoffe die in Wasser nur teilweise dissoziieren – Es liegen Weiterhin Moleküle vor – N H3 H2 CO3 CH3 COOH 3.2.2 Lösen von Pot el. • H3 P O4 + H2 O → H2 P O4− + H3 O+ n • H2 P O4− + H2 O → HP O42− + H3 O+ • HP O42− + H2 O → P O43− + H3 O+ 19 3.3 Elektrodenkpotential • Ausbildung eines Elektrodenkpotentials an der grenze Zwischen metallischer und elektrolytischer Phasengrenze 1. Metallionen werden aus Metallphase in Elektrolytphase gezogen und Hydratisiert, Elektronen verbleiben in Metallphase 2. Anlagerung von Hydratisierten Ionen an Phasengrenze -> Elektrochemische Doppelschicht 3. evtl. Rückreaktion der Ionen an der Phasengrenze • M eM e+ + e− • M e|M e+ , | - Phasengrenze • Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig ab -> Elektrochemisches Gleichgewicht • Osmotischer Druck: Bestreben der hydr. Ionen in die Metallphase überzugehen. • Lösungsdruck: Bestreben des Metalls in hydr. Lösung zu gehen. • EP abhängig von: – Metall – Konzentration Elektrolyt in Lösung: umso höher umso höher SEP – Temperatur: höher -> Metall gibt mehr Ionen ab 3.3.1 Standartelektrodenpotential SEP • Elektrodenpotential nicht direkt Messbar (kein Fühler in Elektrolytphase) • EP relativ messbar • Standarttwasserstoffeletkrode: genprmt, festgelgtes Elektrodenpotential -> 0V • alle SEP relativ zu SWE gemessen 3.3.2 Elektrochemische Spannungsreihe • Zunehmendes SEP, zunehmend edler • zunehmend stärkere OM, schwächwere RM • Undedle zu Edle Metalle • dient zur Abschätzung von Replikationen • Elemente mit niedrigen SEP kännen Metalle mit höhrerm SEP aus eine MEtallsalzlsg. herausfällen 3.3.3 Galvanische Elemente • Daniel Element: – 1836 entwickelt – erstes Galvanisches Element – elektrochemische Spannungsquelle + – kombination 2 verschiedene Metall-Metallionenelektroden M e1 |M e+ 1 M e2 |M e2 – Cu|Cu2+ + ZnZn2+ ⊖ – ECu|Cu 2+ = +0.35V EZn|Z 2+ = −0.76V – ∆E = U = 1.11V • Reaktionen an den Elektroden - Zellreaktionen: 20 – Zink: * Unedler: Anode - Elektronenüberfluss * ZnZn2+ + 2e− Oxidation/RM – Kupfer: * Edler: Kathode - Elektronenmangels * Cu2+ + 2e− Cu Reduktion/OM – Cu2+ + ZnZn2+ + Cu – nach Langen Betrieb: Zn dünner, Zink niedrig – Bedeutung: Umwandlung Chem -> el. Energie -> Nutzung – ein Zinkblech taucht in ein Zinksulfatlösung ein, Kupfer in Kupfersulfatls, Halbzellen durch poröse Halbwand (Diaphragma) getrennt -> Verbindung -> Strom 3.3.4 Elektrochemische Spannungsreihe • Ordnung der Metall|Metallionen in Reihenfolge ihrer Standartelektrodenkpotentiale • Li K Ca Na MG Al Zn Cr Fe cd Ni Zn Pb Cu Ag Au • Sep/Oxidierende Wirkung Steigt -> • <- Reduzierende Wirkung fällt • unedel -> Niedriges EP -> starke Fäigkeit Elektronen Abgeben -> RM • edel -> hohes EP -> Elektronen aufnehmen -> OM • dient zum Abschätzen von Redoxreaktionen -> gewinnung Energie • durch Metalle mit niedrigen SEP (unedel) können Metalle mit hohen SEP (edel) aus ihren Metallzlösungen gefällt werden. • Redoxreaktion an einer Phasengrenze zwischen Metall und Elektrolötlösung, bei der eine Ladungstrennung erfolgt. 21 3.3.5 Elektrochemische Reaktionen Zn CuSo4 Dunkelrot, (hell) Farblos Zn CuSo4 Dunkelrot, (hell) Farblos Cu ZnSo4 -- Fe CuSo4 rötl. Belag, hellgrün Cu F eSo4 -- silberne Ablagerung, Farblos (hell) Ag CuSO4 -Zn H2 So4 Löst sich auf, Heftige Gasentwicklung Cz H2 So4 Löst sich auf, Heftige Gasentwicklung Gewinnung Rückwewinnung Metall -> Zementation, Galvanisierung Cu AgN O3 3.3.6 Technische Anwendung • Hist: – 1836 Daniell Element – 1850 Bleiakku (Startbatterie) – 1866 Dynamo – 1867 1. Batterie Zn C • Galvanische Zellen: • Primärelemente: Chem zu El. Enrgie, nicht wiederaufladbar • Sekundärlemente: Akkumulatoren Sammler, wiederaufladbar 22 ◦ EZn|Zn = −0.76V 2+ ◦ ECu|Cu = +0.35V 2+ Zn ↔ Zn2+ + 2e− -> Ox, Cu + 2e− ↔ Cu > Red, Zn + Cu2+ ↔ Zn2+ + Cu -> Zn fällt Cu aus Lsg. ◦ EZn|Zn = −0.76V 2+ ◦ ECu|Cu = +0.35V 2+ Zn ↔ Zn2+ + 2e− -> Ox, Cu + 2e− ↔ Cu > Red, Zn + Cu2+ ↔ Zn2+ + Cu -> Zn fällt Cu aus Lsg. ◦ = −0.76V EZn|Zn 2+ ◦ ECu|Cu = +0.35V 2+ Cu ist edler, hat höheres SEP kann keine Elektronen abgehen -> Fällt Zn nicht aus EF◦ e|F e2 + = −0.41V ◦ ECu|Cu = +0.35V 2+ 2+ F e ↔ F e + 2e− -> Ox, Cu + 2e− ↔ Cu > Red, F e + Cu2+ ↔ F e2+ +Cu -> Fe fällt Cu aus Lsg. EF◦ e|F e2 + = −0.41V ◦ ECu|Cu = +0.35V 2+ Cu ist edler, hat höheres SEP kann keine Elektronen abgehen -> Fällt Fe nicht aus Cu fällt Ag aus Lsg. 3.3.7 Echem Korrosion Zerstörende Einwirkung chemischer bzw. elektrochemischer Reaktion eines Metalls mit Stoffen der Nachbarphase. • Ausbildung von Lokalelementen: zwi kurzgeschl. Metalle Elektrolytlsg 3.3.8 Korrosionsschutz • Passiv: – Überzug und Beschichtung mit Zinkstaub Phosphat -> Metall, Platieren – Kunstharze – Kunstsoff – Öle – Lack – Chrom – anorg. Verb. Chromatieren Phostphatieren eloxieren – ENtzug REaktionspartner • Aktiv: – Katyhodischer Korrosionsschutz – Frematmom Anoden (Opferanode) Erzwungene Reaktion welcher durch Spannung ausgelöst wir. Wirkung auf Schmelzern Elektrolytlsg. Verwendet um best. Stoffe herzustellen. VErwendung zur Feinreinigung von Metallen. Elektrolytlsg Bestandteile Quantitativ bestimmt. 3.3.9 Blei Akkumulator – lange Lebensdauer <-> geringe Energiedichte – Temperaturabhängog, große – Energiedichte – Große Leistung – Zuverlässigkeit – Verfügbarkeit – Wirtschaftlichkeit durch günstige Kosten – Zellspannung 2V • Verwendung: – Starterbatterie – Elektrofarzeuge (Gabelstapler) • Aufbau: – 2 Bleichelektroden in Schwefelsäure • Zellreaktion (Entladen, Laden Invertiert!! ): – Anode P b + SO42− −→ P bSO4 + 2e− – Kathode: P bO2 + SO42− + 4H + + 2e− −→ P bSO4 + 2H2 O – Gesammt: P b + P bO2 + 2H2 SO4 −→ P bSO4 + 2H2 O 23