Bundesrealgymnasium Imst

Chemie 2010-11

Klasse 7

Einführung in die Chemie

Dieses Skriptum dient der Unterstützung des Unterrichtes - es kann den Unterricht aber nicht ersetzen, da im Unterricht der Lehrstoff detaillierter aufgearbeitet wird, als dies im Skriptum der Fall ist. Ergänzungen zum Skriptum werden während des Unterrichts durchgeführt. In diesem Skriptum sind nur wenige Diagramme und Zeichnungen enthalten. Die fehlenden Diagramme werden im Unterricht erarbeitet.

Inhalt

1 Einführung in die Chemie ............................................................................................... 2 1.1 Chemie als Naturwissenschaft ................................................................................... 2

1.1.1 Was ist Chemie ..................................................................................................... 2 1.1.2 Unterschiede zur Physik ....................................................................................... 2 1.1.3 Fachgebiete der Chemie ....................................................................................... 2 1.1.4 Historische Entwicklung ...................................................................................... 3

1.2 Aufbau der Materie .................................................................................................... 3 1.2.1 Aggregatszustände ............................................................................................... 3

1.3 Trennen von Stoffgemischen...................................................................................... 6 1.3.1 Gemische und Reinstoffe ..................................................................................... 6 1.3.2 Trennverfahren ..................................................................................................... 7 1.3.3 Moderne Methoden der Stofftrennung ................................................................. 7

Aufgaben 9

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1 Einführung in die Chemie

1.1 Chemie als Naturwissenschaft

1.1.1 Was ist Chemie

Chemie ist die Lehre von den Stoffen. Unter „Stoff“ versteht man alle Arten von Materie. Die Chemie behandelt aber auch die Reaktionen, also die Stoffumwandlungen, untereinander. Darüber hinaus ist es die einzige Wissenschaft, die uns lehrt, aus bekannten Substanzen neue, in der Natur nicht vorkommende Stoffe herzustellen. Um das zu erreichen, müssen Aufbau und innere Strukturen der Stoffe bekannt sein damit mit wissenschaftlicher Präzision Stoffe verändert und somit den gestellten Anforderungen angepasst werden können. Werkstoffe, Baumaterialien, unsere Nahrungsmittel und Bekleidung, moderne Medikamente und Reinigungsmittel währen ohne diese Kenntnisse nicht denkbar. Alle diese Stoffe werden aber letztendlich aus „natürlichen“ Stoffen aufgebaut.

1.1.2 Unterschiede zur Physik

Chemische und physikalische Vorgänge sind oft miteinander Verbunden. Oft wird Physik als die Lehre von Vorgängen, bei denen keine stofflichen Veränderungen stattfinden, definiert. Entsprechend ist die Chemie die Wissenschaft, die sich eben mit diesen stofflichen Veränderungen beschäftigt. Betrachtet man allerdings die kleinsten Teilchen (im chemischen Sinn), die Atome, können physikalische oder chemische Prozesse nicht mehr eindeutig getrennt werden. Da chemische Reaktionen letztendlich auf einer elektrischen (physikalischen) Wechselwirkung beruhen, sind auch hier Überschneidungen üblich. Trotzdem gibt es genügend Prozess, die als typisch physikalisch oder typisch chemisch bezeichnet werden. Einige Beispiele: physikalisch chemisch

Aggregatszustand

Siedepunkt

Schmelzpunkt

Härte

Leitfähigkeit

Farbe, Glanz

Erhalten gegenüber anderen Stoffen Verhalten bei Energiezufuhr (Verbrennen, Zersetzung) Physiologische Wirkung (z. B. Gift)

1.1.3 Fachgebiete der Chemie

� Die Allgemeine und physikalische Chemie erforscht allgemein gültige Gesetzmäßigkeiten im Verhalten der Stoffe, ohne auf Besonderheiten bestimmter Stoffe einzugehen. Hierzu gehören Schmelz- und Siedevorgänge der Stoffe, Atombau und chemische Bindungen oder Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen uvm.

� Die Anorganische Chemie befasst sich mit allen Elementen und allen Kombinationen dieser Elemente mit Ausnahme der Kohlenwasserstoffe und deren Derivate. Zu den anorganischen Stoffen gehören z. B. Metalle, Wasser, Erze, … .

� Die Chemie der Kohlenwasserstoffe wird in der Organischen Chemie behandelt. Zu diesen Stoffen gehören Erdöl, Gas und Kohle wie auch Zucker, Proteine oder Enzyme.

� In der Biochemie werden Wechselwirkungen in der belebten Natur zusammengefasst. � Um die Zusammensetzung der Stoffe zu klären unterscheidet man in der Analytische

Chemie die quantitative Analytik (bestimmt die mengenmäßige Zusammensetzung der Bestandteile eines Stoffes) von der qualitativen Analytik (bestimmt, aus welchen Bestandteilen ein Stoff besteht).

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� Chemisches Wissen in die Praxis und in Produktionsverfahren umzusetzen ist Gegenstand der Technischen Chemie.

� Vorwiegend mit mathematischen Modellen und Simulationen berechnet die Theoretische Chemie Eigenschaften von Stoffen.

1.1.4 Historische Entwicklung

Physikalische, chemische und biologische Prozesse laufen seit Urzeiten in der Natur ab, auch ohne den Menschen. Mit Hilfe der Wissenschaften erkannte der Mensch die Naturzusammenhänge und konnte diese in zunehmendem Maße zur Verbesserung seiner Lebensgrundlage nutzen. Die historische Entwicklung der Chemie als Wissenschaft begann mit den Naturphilosophen in der Antike. Auf sie gehen viele noch heute genutzte Begriffe wie Atom, Element, Elektron oder Verbindung zurück. Einige Meilensteine: � 250 000 BC. Entdeckung des Feuers � 25 000 BC. Verwendung anorganischer Pigmente zum Färben (Höhlenmalereien

von Altamira und Lascaux) � 3500 -2200 BC. Beginn der Bronzezeit zuerst in Mesopotamien, später in Europa � 400 BC. Leukipp und Demokrit entwickeln die erste Atomtheorie und führen

den Atombegriff ein � 900-1000 AC. Symbole für damals bekannte Metalle und einige chemische

Fachbegriffe entstsehen. � 1697 G. E. Stahl findet eine systematische Erklärung für chemische

Reaktionen � 1792/93 J. B. Richter begründet die Stöchiometrie � 1824 F. Wöhler synthetisiert Harnstoff und begründet damit die organische

Chemie � 1869 L. J. Meyer und D. Mendelejew stellen das Periodensystem der

Elemente auf � 1911 E. Rutherford stellt eine Theorie zur Atomstruktur auf � 2005 verschiedene Arbeitsgruppen entschlüsseln die DNA-Sequenz des

menschlichen X-Chromosoms

1.2 Aufbau der Materie

1.2.1 Aggregatszustände

Aggregatszustand ist die allgemeine Bezeichnung für einen der drei Zustände, in denen Körper vorliegen können. • Ein fester Körper besitzt ein bestimmtes Volumen und eine bestimmte Gestalt. Zwischen den Teilchen wirken sehr starke Anziehungskräfte wodurch sich Gitterstrukturen bilden. Dabei sind die Atome regelmäßig angeordnet. Bleiben die Atome ungeordnet, spricht man von amorphen Stoffen (z. B. Glas). Führt man einem Festkörper Wärmeenergie zu bis die Gitterkräfte nicht mehr ausreichen um die Struktur des Kristalls aufrecht zu halten, schmilzt der Festkörper. • Ein flüssiger Körper besitzt ein bestimmtes Volumen aber keine bestimmte Gestalt. Er

nimmt die Form des Gefäßes an in dem er sich befindet und bildet dabei eine Oberfläche.

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Zwischen den Teilchen wirken Anziehungskräfte (Kohäsion).Die Kohäsion ist Ursache der Oberflächenspannung. • Ein gasförmiger Körper hat weder ein bestimmtes Volumen noch eine bestimmte Gestalt.

Er nimmt jeden ihm zur Verfügung stehenden Raum ein und bildet dabei keine Oberfläche.Zwischen den Teilchen wirken (fast) keinGase besitzen einen Druck Der Druck p (Pa), den eine bestimmte Gasmenge auf den Bdes Behälters und von der Temperatur abhängig Der Druck in einem Gasbehälter hängt bei allen Gasen linear von der Temperatur ab. Werden diese Geraden extrapoliert, erhält man einen gemeinsamen Schnittpunkt bei – 273,15 °C � dem absoluten NullpunktDie Bewegung der Gasmoleküle hat aufgehört. Die Beziehung zwischen Druck, Temperatur und Volumen wird durch das allgemeine Gasgesetz eines idealen Gases wiedergegeben. Umwandlungswärme

• Schmelz – und Kristallisationswärme einer Stoffmenge sind gleich groß!

• Verdampfungs – und Kondensationswärme einer Stoffmenge sind gleich groß!

• Sublimationswärme und Resublimationswärme eines Stoffes sind gleich groß!

.2

22

1

11 konstT

Vp

T

Vp =⋅=⋅

Abb. 1-3: Umwandlungswärme

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Zwischen den Teilchen wirken ).

Ein gasförmiger Körper hat weder ein bestimmtes Volumen noch eine bestimmte Gestalt. Er nimmt jeden ihm zur Verfügung stehenden Raum ein und bildet dabei keine Oberfläche.

Zwischen den Teilchen wirken (fast) keine Kräfte.

p (Pa), den eine bestimmte Gasmenge auf den Behälter ausübt, ist vom Volumen des Behälters und von der Temperatur abhängig.

Der Druck in einem Gasbehälter hängt bei allen Gasen linear von der Temperatur ab. Werden diese Geraden extrapoliert, erhält man einen gemeinsamen Schnittpunkt bei

absoluten Nullpunkt. Die Bewegung der Gasmoleküle hat

Die Beziehung zwischen Druck, Temperatur und Volumen wird durch das allgemeine Gasgesetz eines idealen Gases

und Kristallisationswärme einer Stoffmenge sind gleich groß!

Kondensationswärme einer Stoffmenge sind gleich groß! Sublimationswärme und Resublimationswärme eines Stoffes

Abb. 1-1: Zustandekommen einer Oberflächenspannung

Abb. 1-2: Temperaturabhängigkeit des Drucks und Herleitung des absoluten Nullpunkts

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Ein gasförmiger Körper hat weder ein bestimmtes Volumen noch eine bestimmte Gestalt. Er nimmt jeden ihm zur Verfügung stehenden Raum ein und bildet dabei keine Oberfläche.

ehälter ausübt, ist vom Volumen

Zustandekommen einer Oberflächenspannung

Temperaturabhängigkeit des Drucks und Herleitung des absoluten Nullpunkts

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Verdampfen Die Bewegungsenergien der einzelnen Teilchen in einer Flüssigkeit sind unterschiedlich. Bei einigen Teilchen sind sie groß genug um die Kohäsionskräfte zu überwinden. Weil dadurch die energiereichsten Teilchen aus der Flüssigkeit entfernt werden, sinkt die Temperatur der Flüssigkeit.

Verdunsten Bei Raumtemperatur entweichenebenfalls nur die Teilchen, deren Bewegungsenergie ausreicht, um die Kohäsions-kräfte zu überwinden. Die sinkende Temperatur entzieht der Umgebung Wärme und es entsteht Verdunstungskälte.

Dampfdruck Der Druck des Dampfes, der sich bei gegebener Temperatur im Gleichgewicht mit einer Flüssigkeit befindet.

Abb. 1-6: Vergleich Verdampfen -

Der Dampfdruck einer Flüssigkeit wird nur durch die Temperatur festgelegt. Änderungen des Dampf-

volumens beeinflussen ihn nicht.

Abb. 1-4: Theorie einer verdampfenden Flüssigkeit.

Abb. 1-5: Statistische Verteilung der Bewegungsenergie der Teilchen einer Flüssigkeit

Abb. 1-7: Dampfdruckkurven verschiedener Flüssigkeiten.

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Die Bewegungsenergien der einzelnen Teilchen in einer Flüssigkeit sind unterschiedlich. Bei einigen Teilchen sind sie groß genug um die Kohäsionskräfte zu überwinden. Weil dadurch die energiereichsten Teilchen aus der Flüssigkeit entfernt werden, sinkt die

Bei Raumtemperatur entweichen ebenfalls nur die Teilchen, deren Bewegungsenergie ausreicht, um

Der Druck des Dampfes, der sich bei gegebener Temperatur im Gleichgewicht mit einer

Verdunsten

Theorie einer verdampfenden Flüssigkeit.

stische Verteilung der Bewegungsenergie der Teilchen einer Flüssigkeit

Dampfdruckkurven verschiedener Flüssigkeiten.

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Der Druck des Dampfes, der sich bei gegebener Temperatur im Gleichgewicht mit einer

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Siedepunkt Der Siedepunkt Kp einer Flüssigkeit ist jene Temperatur, bei der der Dampfdruck der Flüssigkeit dem Luftdruck entspricht. Die Temperatur einer siedenden Flüssigkeit bleibt konstant, bis die gesamte Menge verdampft ist.

1.3 Trennen von StoffgemischenFast alle Stoffe des täglichen Lebens sind keine Reinstoffe. Die Auftrennung dieser Gemische und die damit verbundene Gewinnung von Reinstoffen sind wichtige Arbeitsgebiete der Chemiker.

1.3.1 Gemische und Reinstoffe

Reinstoffe besitzen eine einheitliche Zusammensetzung und EigenschaftenStoff besitzt, d. h. für diesen Stoff charakteristisch sindDazu gehören: Masse Gewicht Dichte Stoffzustand (Aggregatszustand bei Standardbedingungen) Siedetemperatur Teilchengröße Magnetische Eigenschaften Elektrische Eigenschaften Löslichkeit Verhalten bei Reaktionen mit anderen StoffenBei Mischungen hängen die Eigenschaften von der Zusammensetzung ab. Bei manchen Stoffen unserer Umwelt erkennt man sofortunterschiedlichen Eigenschaften bestehen (z. B. Gesteine mit unterschiedlich farbigen Bestandteilen). Solche optisch uneinheitlichen Stoffe werden als bestehen aus mehreren Phasen. Bei anderen Stoffen (z. B. Luft) erkennt man keine unterschiedlichen Bestandteile. Sie bestehen aus einer Phase und werden als homogene Bereiche eines Stoffes.Reinstoffe und Mischungen können mit Hilfe des Siedunterschieden werden.

Abb. 1-8: Siedediagramm eines Reinstoffes und eines Gemisches.

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Kp einer Flüssigkeit ist jene Temperatur, bei der der Dampfdruck der Flüssigkeit dem Luftdruck entspricht. Die Temperatur einer siedenden Flüssigkeit bleibt konstant, bis die gesamte Menge verdampft

Trennen von Stoffgemischen Fast alle Stoffe des täglichen Lebens sind keine Reinstoffe. Die Auftrennung dieser Gemische und die damit verbundene Gewinnung von Reinstoffen sind wichtige Arbeitsgebiete der

Gemische und Reinstoffe

n eine einheitliche Zusammensetzung und EigenschaftenStoff besitzt, d. h. für diesen Stoff charakteristisch sind.

Gewicht

Stoffzustand (Aggregatszustand bei Standardbedingungen)Siedetemperatur

eilchengröße Magnetische Eigenschaften Elektrische Eigenschaften Löslichkeit Verhalten bei Reaktionen mit anderen Stoffen

Bei Mischungen hängen die Eigenschaften von der Zusammensetzung ab.

Bei manchen Stoffen unserer Umwelt erkennt man sofort, dass sie aus Anteilen mit unterschiedlichen Eigenschaften bestehen (z. B. Gesteine mit unterschiedlich farbigen Bestandteilen). Solche optisch uneinheitlichen Stoffe werden als heterogenbestehen aus mehreren Phasen. Bei anderen Stoffen (z. B. Luft) erkennt man keine unterschiedlichen Bestandteile. Sie bestehen aus einer Phase und werden als homogen bezeichnet. Als Phase bezeichnet man homogene Bereiche eines Stoffes. Reinstoffe und Mischungen können mit Hilfe des Siedediagramms (

Siedediagramm eines Reinstoffes und eines Gemisches.

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Kp einer Flüssigkeit ist jene Temperatur, bei der der Dampfdruck der

Die Temperatur einer siedenden Flüssigkeit bleibt konstant, bis die gesamte Menge verdampft

Fast alle Stoffe des täglichen Lebens sind keine Reinstoffe. Die Auftrennung dieser Gemische und die damit verbundene Gewinnung von Reinstoffen sind wichtige Arbeitsgebiete der

n eine einheitliche Zusammensetzung und Eigenschaften, die nur dieser

Stoffzustand (Aggregatszustand bei Standardbedingungen)

, dass sie aus Anteilen mit unterschiedlichen Eigenschaften bestehen (z. B. Gesteine mit unterschiedlich farbigen

heterogen bezeichnet. Sie

Bei anderen Stoffen (z. B. Luft) erkennt man keine unterschiedlichen Bestandteile. Sie bezeichnet. Als Phase bezeichnet man

ediagramms (Abb. 1-8) leicht

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1.3.2 Trennverfahren

Um Reinstoffe aus Mischungen zu erhalten, werden fast immer die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zur Trennung der Komponenten ausgenützt. Die Trennung von Gemischen erfolgt aus zwei Gründen: � Gewinnung von Reinstoffen zur Anwendung oder Weiterverwendung � Feststellung der Zusammensetzung einer Mischung (Analyse). Sieben Die Teilchengröße der zu trennenden Stoffe muss

unterschiedlich sein. Getrennt werden Feststoffe (z. B.

Gemenge)

Filtrieren Die zu trennende Suspension (fest-flüssig) läuft durch einen Filter (Textilfasern, Papier). Die festen Teilchen werden vom Filter zurückgehalten, die Flüssigkeit (Filtrat) läuft durch den Filter.

Sedimentieren Die in der Flüssigkeit aufgeschlämmten schweren festen Stoffe setzen sich ab, die klare Flüssigkeit wird vom abgesetzten Stoff abgegossen (dekantiert).

Zentrifugieren Trennung von Suspensionen oder Emulsionen unter Ausnutzung der unterschiedlichen Dichte

Fällen Ein Bestandteil einer Lösung wird durch eine chemische Reaktion mit einem zugesetzten Stoff (Fällungsmittel) in einen schwer löslichen Niederschlag überführt und filtriert.

Extrahieren Bestimmte Bestandteile fester oder flüssiger Stoffe werden mithilfe geeigneter Lösungsmittel herausgelöst (Kaffee- oder Teekochen)

Destillieren,

Verdampfen

Ein Flüssigkeitsgemisch wird erhitzt bis ein Anteil siedet. Der entstehende Dampf (Destillat) wird aufgefangen und kondensiert an einem Kühler.

Chromatographie Unterschiedliche Adsorptions- und Lösungseigenschaften führen zu unterschiedlichen Geschwindigkeiten beim Transport durch eine mobile Phase durch eine stationäre Phase

Elektrophorese Trennung aufgrund unterschiedlicher Geschwindigkeiten in einem elektrischen Feld

1.3.3 Moderne Methoden der Stofftrennung

Durch chromatographische Methoden ist es heute möglich, verschiedenste Stoffe, wie kleinste Rückstände von Pflanzenschutzmitteln, Schwermetallspuren oder geringste Mengen von Luftverunreinigungen mit hoher Sicherheit und Genauigkeit nachzuweisen. Standard sind Nachweisgrenzen von 10-9 kg/kg (Einheit ppb, parts per billion). Das bedeutet, dass ein Teilchen unter 1 000 000 000 Teilchen entdeckt wird. Unter guten Voraussetzungen sind aber auch Nachweise von 10-15 kg/kg oder darunter möglich. Die chromatographische Trennanordnung (Analysemethode) besteht immer aus einer unbeweglichen (stationären) Phase (z. B. Papier) und einer beweglichen (mobilen) Phase (z. B. Wasser), die die Trennanordnung durchströmt. Je länger ein Bestandteil einer Mischung von der stationären Phase zurückgehalten wird, umso langsamer wandert er durch die Trennanordnung.

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1.3.3.1 Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC)

Das Lösungsmittel, die mobile Phase, wird aus einem Vorratsgefäß mittels einer Hochdruckpumpe durch die Trennsäule gepresst. Durch eine Dosiereinheit bringt man die Probe in den Fluss der mobilen Phase ein. Die einzelnen Probenkomponenten werden in der Trennsäule aufgetrennt und verlassen diese mit unterschiedlicher Verzögerung. Sie durchströmen nacheinander einen Detektor, der für jede Komponente ein elektrisches Signal liefert.

1.3.3.2 Gaschromatographie (GC)

Hier strömt ein Trägergas als mobile Phase durch eine Trennsäule oder Trennkapillare. In ihr befindet sich als stationäre Phase eine Flüssigkeit mit hohem Siedepunkt. In Trennsäulen wird diese Flüssigkeit in den Poren eines Feststoffes festgehalten. In Trennkapillaren bildet sie einen dünnen Film an der Innenseite der Kapillare. Die Länge von Trennkapillaren kann bis zu 100 m betragen.

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Aufgaben 1. Geben Sie an, ob es sich bei folgenden Stoffen um ein chemisches Element oder um

eine Verbindung handelt: a) Kohlendioxid; b) Schwefel; c) Luft; d) Wasser; e) Kochsalz; Schwefelsäure

2. Geben Sie an, ob es sich bei folgenden Stoffen um ein chemisches Element, ein Verbindung oder ein Gemisch handelt: a) Wasser; b) Eisen; c) Schwefel; d) Luft; e) Leitungswasser; f) Traubenzucker; g) Wein

3. Geben Sie an, ob es sich bei folgenden Stoffen um homogene oder heterogene Stoffgemische handelt: a) Sand in Wasser; b) Kochsalz, in Wasser gelöst; c) Luft; d) Milch; e) Staub

4. Ordnen Sie folgende Eigenschaften den Stoffkategorien Element, Verbindung, und Gemisch zu: a) Zusammensetzung ist variabel; b) besitzt eine chemische Formel; c) durch physikalische Methoden in andersartige Stoffe zerlegbar; d) durch chemische Methoden in andersartige Stoffe zerlegbar; e) durch keine Methode zerlegbar; f) kann gasförmig sein; g) kann in der Natur vorkommen.

5. Durch welche der folgenden Trennmethoden kann eine wässrige Kochsalzlösung in Kochsalz und Wasser getrennt werden? a) Filtrieren; b) Zentrifugieren; c) Sedimentieren; d) Destillieren; e) Dekantieren

6. Schlagen Sie Wege vor, wie man die Gemische Salz/Pfeffer und Sand/Sägespäne in die Bestandteile zerlegen kann!

7. Beschreiben Sie ein Beispiel für die praktische Anwendung der Extraktion, Filtration, Destillation!