Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie
Andreas Rammo
Allgemeine und Anorganische Chemie
Universität des Saarlandes
E-Mail: [email protected]
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 2
Copyright Hinweis
Alle elektronischen Unterlagen zu dieser Vorlesung sind ausschließlich
für das eigene Studium bestimmt und dürfen nicht weitergegeben,
reproduziert oder in anderen Dokumenten verwendet werden.
Auch wenn nicht ausdrücklich gekennzeichnet, können einzelne
Abbildungen aus copyright geschützten Quellen stammen.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 3
Lehrbücher
• allgemeine chemische und physikalisch-chemische
Grundlagen sowie das Grundwissen über anorganische
und organische Chemie, Biochemie und Kernchemie
• leicht verständlich und gut lesbar
• 35 didaktisch aufbereitete Kapitel zu allgemein
chemischen und physikalisch-chemischen Grundlagen
• anschaulich und übersichtlich gestaltet
• Glossar zu jedem Kapitel
• Komplett vierfarbig
• Beispiele zur Veranschaulichung von
Rechenverfahren, Übungsaufgaben mit Lösungen zur
Selbstkontrolle, Lösungswege im Internet abrufbar
• aufklappbares Periodensystem
• Kapitel zum Umgang mit Gefahrstoffen
Charles E. Mortimer, Ulrich
Müller, Chemie, Georg Thieme
Verlag, 2010
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 4
Lehrbücher
• chemische Querverbindungen zwischen den
Grundlagen und technologischen Anwendungen
• Alltagschemie in diesem Buch eine besondere Rolle:
Der Student soll die Bedeutung von grundlegenden
chemischen Vorgängen für den Menschen im
Allgemeinen und dem Ingenieur im Besonderen
nachvollziehen lernen.
• einleitende Fragestellungen und praktische Beispiele
am Kapitelbeginn
• Lösungsvorschläge, welche die Chemie zu
Problemstellungen anbieten kann
• jedes Kapitel schließt mit einer Zusammenfassung
der wichtigsten Begriffe und Definitionen
• Übungsaufgaben und reflektierende Fragen
• Glossar mit zentralen Fachbegriffen und
Erläuterungen
Guido Kickelbick, Chemie für
Ingenieure, Pearson Verlag,
2008
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 5
Lehrbücher
Chemie - Studieren kompakt
• Lehrstoff wird wissenschaftlich präzise,
stilistisch klar und leicht verständlich
präsentiert
• zahlreiche Bezüge zum Alltag
• schöne und übersichtliche grafische
Aufbereitung
• Anschauungsmaterial auf der Companion
Website
• Übungsaufgaben online gestellt
Chemie - Prüfungstraining:
Übungsaufgaben mit Lösungen
Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay,
Bruce E. Bursten, Chemie – Studieren
kompakt, Pearson Verlag, 2011
Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay,
Bruce E. Bursten, Chemie-
Prüfungstraining, Pearson Verlag, 2011
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 6
Allgemeines – Vorlesungszeiten, Klausuren großer Hörsaal der Chemie, Gebäude C4.3
Vorlesungen mit Übungen:
montags: 14.15 - 15.45 Uhr (Doppelstunde)
mittwochs: 12.15 - 13.45 Uhr (Doppelstunde)
donnerstags: 08.30 - 09.15 Uhr
Bei den Klausuren sind folgende Hilfsmittel erlaubt:
- Schreibutensilien
- Taschenrechner
- iPhones und Handys sind nicht erlaubt und müssen
ausgeschaltet sein!
Nicht vergessen: Studentenausweis!
1.Klausurtermin:
07.12.16
12.15 – 13.45 Uhr ! !
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 7
Allgemeines – E-Learning Plattform
Informationen zu den Vorlesungen werden am „schwarzen Brett“ von Prof.
Scheschkewitz im Foyer der Chemie bekannt gegeben oder sind einsehbar im
Internet unter:
http://www.uni-saarland.de/fak8/scheschkewitz/html/student_page.html
Hier:
• können Folien der Vorlesung als pdf-Files heruntergeladen werden.
• werden Klausurergebnisse bekannt gegeben.
• werden Beispielklausuren eingestellt.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 8
1. Materie, Stoff, Verbindung, Element
2. Aufbau der Atome
3. Aufbau des Periodensystems
4. Theorie der chemischen Bindung
5. Chemische Reaktion
6. Chemische Gleichgewichte
Vorlesungsgliederung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 9
Was ist Chemie?
Chemie Physik
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 10
Was ist Chemie?
Definition Chemie:
Chemie ist die Lehre
vom Aufbau, Verhalten
und der Umwandlung
von Stoffen sowie den
dabei geltenden Ge-
setzmäßigkeiten.
Definition Physik:
Die Physik ist die Lehre von den
Eigenschaften und Zustandsformen
sowie den Bewegungen der
unbelebten Materie, den diese
Bewegungen hervorrufenden Kräf-
ten oder Wechselwirkungen und
den dabei wirkenden Gesetz-
mäßigkeiten.
Chemie Physik
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 11
Was ist Chemie?
Bei einer chemischen
Reaktion entsteht ein neuer
Stoff mit anderen Eigen-
schaften (z.B. Farbe).
Dabei entsteht aus einem
oder mehreren „Edukten“
ein oder mehrere
„Produkte“.
Bei einem physikalischen Vor-
gang bleiben die Eigenschaften
eines Stoffes erhalten.
Lediglich eine Zustands-
änderung tritt ein, z.B. die
äußere Form eines Stoffes
oder sein Aggregatzustand
ändern sich.
Bsp.:
Wasserstoff + Sauerstoff Wasser
Bsp.:
Verformen eines Metalls
Chemie Physik
Aggregatzustand: Er bezeichnet qualitativ verschiedene, temperatur- und druckabhängige
physikalische Zustände von Stoffen (fest, flüssig, gasförmig, kristallin, amorph).
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo
Chemie
Technische
Chemie
12
Fachgebiete der Chemie
Analytische
Chemie
Physikalische
Chemie
Organische
Chemie
Biochemie
Anorganische
Chemie
Allgemeine
Chemie
Kernchemie
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 13
Gesetz der Erhaltung der Masse
Antoine Lavoisier: Begründer der modernen Chemie
Antoine Lavoisier,
1743 - 1794
Gesetz der Erhaltung der Masse:
Bei chemischen Reaktionen ist die Summe aller Massen der
Ausgangsstoffe genau gleich groß wie die Summe der Massen aller
Endstoffe.
Zerlegung von Quecksilberoxid
Quecksilberoxid Sauerstoff
Quecksilber
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 14
Quecksilberoxid
Zerlegung von Quecksilberoxid
Quecksilberoxid
Quecksilber
Sauerstoff
Quecksilberoxid
Elemente, Verbindungen, Gemische
Verbindung: lässt
sich weiter zerlegen.
A. Lavoisier:
(Robert Boyle, 1661)
Element: lässt sich
NICHT weiter zerlegen.
Quecksilberoxid Sauerstoff
Quecksilber
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 15
Klassifizierung der Stoffe
Heterogene Gemische:
Veränderliche Zusammensetzung aus
erkennbar unterschiedlichen Teilchen
Homogene Stoffe:
Veränderliche Zusammensetzung aber
einheitliches Aussehen
Homogene Gemische:
Homogene Gemische reiner Stoffe
(veränderliche Zusammensetzung)
Reine Stoffe:
Aus Elementen oder Verbindungen
aufgebaut (feste Zusammensetzung)
Verbindungen:
Aus verschiedenen Elementen in
definierte Zusammensetzung
aufgebaut.
Materie
Heterogene Gemische
Homogene Stoffe
Homogene Gemische
Reine Stoffe
Verbin-dungen
Elemente
Physikalische Trennung
Physikalische Trennung
Chemische Trennung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 16
Beispiele für heterogene Gemische
Glitter make up
Müsli Gummibärchen
Hefe-Weizenbier
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 17
Klassifizierung der Stoffe
Heterogene Gemische:
Veränderliche Zusammensetzung aus
erkennbar unterschiedlichen Teilchen
Homogene Stoffe:
Veränderliche Zusammensetzung aber
einheitliches Aussehen
Homogene Gemische:
Homogene Gemische reiner Stoffe
(veränderliche Zusammensetzung)
Reine Stoffe:
Aus Elementen oder Verbindungen
aufgebaut (feste Zusammensetzung)
Verbindungen:
Aus verschiedenen Elementen in
definierte Zusammensetzung
aufgebaut.
Materie
Heterogene Gemische
Homogene Stoffe
Homogene Gemische
Reine Stoffe
Verbin-dungen
Elemente
Physikalische Trennung
Physikalische Trennung
Chemische Trennung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 18
Homogene Gemische - Beispiele
Gasgemische:
Legierung = feste Lösung
Lösungen:
- feste Lösungen
- flüssige Lösungen
- gelöste Gase in Flüssigkeiten
Messing (Kupfer/Zink)
Bronze (Kupfer ≥ 60%)
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 19
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele
fest - fest
fest – flüssig
fest - gasförmig
festes Sol
feste Emulsion
fester, kolloidaler
Schaum
Granit
Butter
Bimsstein
flüssig – fest
flüssig – flüssig
flüssig –gasförmig
kolloidale Lösung
Emulsion
Schaum
Malerfarbe
Milch
Seifenschaum
gasförmig – fest
gasförmig - flüssig
Rauch
Nebel
Aerosol
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 20
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele
fest - fest
fest – flüssig
fest - gasförmig
festes Sol
feste Emulsion
fester, kolloidaler
Schaum
Granit
Butter
Bimsstein
flüssig – fest
flüssig – flüssig
flüssig –gasförmig
kolloidale Lösung
Emulsion
Schaum
Malerfarbe
Milch
Seifenschaum
gasförmig – fest
gasförmig - flüssig
Rauch
Nebel
Aerosol
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 21
Festes Sol - Granit
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 22
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele
fest - fest
fest – flüssig
fest - gasförmig
festes Sol
feste Emulsion
fester, kolloidaler
Schaum
Granit
Butter
Bimsstein
flüssig – fest
flüssig – flüssig
flüssig –gasförmig
kolloidale Lösung
Emulsion
Schaum
Malerfarbe
Milch
Seifenschaum
gasförmig – fest
gasförmig - flüssig
Rauch
Nebel
Aerosol
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 23
Herstellung von Margarine
Bei Bio-Margarinen dürfen keine chemischen Verfahren eingesetzt werden. Die
Streichfähigkeit wird stattdessen auf physikalischem Weg durch Kälteprozesse oder
durch die Beimischung fester Fette (z. Bsp. Palmfett) erzeugt.
Katalytische Hydrierung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 24
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele
fest - fest
fest – flüssig
fest - gasförmig
festes Sol
feste Emulsion
fester, kolloidaler
Schaum
Granit
Butter
Bimsstein
flüssig – fest
flüssig – flüssig
flüssig –gasförmig
kolloidale Lösung
Emulsion
Schaum
Malerfarbe
Milch
Seifenschaum
gasförmig – fest
gasförmig - flüssig
Rauch
Nebel
Aerosol
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 25
Kolloidaler Schaum - Bimsstein
Bimsstein: fester, kolloidaler Schaum Sol (fest-gasförmig)
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 26
Kolloidaler Schaum - Styropor
Styropor: fester, kolloidaler Schaum Sol (fest-gasförmig)
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 27
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele
fest - fest
fest – flüssig
fest - gasförmig
festes Sol
feste Emulsion
fester, kolloidaler
Schaum
Granit
Butter
Bimsstein
flüssig – fest
flüssig – flüssig
flüssig –gasförmig
kolloidale Lösung
Emulsion
Schaum
Malerfarbe
Milch
Seifenschaum
gasförmig – fest
gasförmig - flüssig
Rauch
Nebel
Aerosol
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 28
Kolloidale Lösung - Malerfarbe
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 29
Klassifizierung heterogener Gemische
Kolloide:
Kolloide sind Teilchen oder Tröpfchen, die in einem anderen Medium (Feststoff, Gas
oder Flüssigkeit), dem Dispersionsmedium, fein verteilt sind. Das einzelne Kolloid
ist typischerweise zwischen 1 nm und 1 µm groß.
Einteilung der dispersen Phase nach ihrer Teilchengröße:
Tyndall-Effekt:
Streuung von Licht an submikroskopischen Schwebeteilchen, mit Abmessungen
ähnlich der Lichtwellenlänge, die in einer Flüssigkeit oder einem Gas suspendiert
sind.
Bezeichnung Teilchengröße Beispiel
molekular dispers gelöst < 1 nm echte Lösung, fluide
Phasen
kolloid dispers gelöst 1 nm - 1μm Proteinlösungen
grob dispers gelöst > 1μm Milchfettkügelchen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 30
Tyndall-Effekt
NaCl-Lösung Tensidlösung
Anwendung des Tyndall-Effekts in optischen Rauchmeldern.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 31
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele
fest - fest
fest – flüssig
fest - gasförmig
festes Sol
feste Emulsion
fester, kolloidaler
Schaum
Granit
Butter
Bimsstein
flüssig – fest
flüssig – flüssig
flüssig –gasförmig
kolloidale Lösung
Emulsion
Schaum
Malerfarbe
Milch
Seifenschaum
gasförmig – fest
gasförmig - flüssig
Rauch
Nebel
Aerosol
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 32
Emulsion - Milch
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 33
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele
fest - fest
fest – flüssig
fest - gasförmig
festes Sol
feste Emulsion
fester, kolloidaler
Schaum
Granit
Butter
Bimsstein
flüssig – fest
flüssig – flüssig
flüssig –gasförmig
kolloidale Lösung
Emulsion
Schaum
Malerfarbe
Milch
Seifenschaum
gasförmig – fest
gasförmig - flüssig
Rauch
Nebel
Aerosol
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 34
Schaum - Seifenschaum
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 35
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele
fest - fest
fest – flüssig
fest - gasförmig
festes Sol
feste Emulsion
fester, kolloidaler
Schaum
Granit
Butter
Bimsstein
flüssig – fest
flüssig – flüssig
flüssig –gasförmig
kolloidale Lösung
Emulsion
Schaum
Malerfarbe
Milch
Seifenschaum
gasförmig – fest
gasförmig - flüssig
Rauch
Nebel
Aerosol
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 36
Aerosol - Rauch
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 37
Klassifizierung heterogener Gemische
Aggregatzustand Bezeichnung Beispiele
fest - fest
fest – flüssig
fest - gasförmig
festes Sol
feste Emulsion
fester, kolloidaler
Schaum
Granit
Butter
Bimsstein
flüssig – fest
flüssig – flüssig
flüssig –gasförmig
kolloidale Lösung
Emulsion
Schaum
Malerfarbe
Milch
Seifenschaum
gasförmig – fest
gasförmig - flüssig
Rauch
Nebel
Aerosol
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 38
Aerosol - Nebel
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 39
Kondensationspunkt (Taupunkt)
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 40
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden
(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).
Sieben (Trennung über Teilchengröße)
Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)
Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)
Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen
Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter
Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 41
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden
(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).
Sieben (Trennung über Teilchengröße)
Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)
Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)
Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen
Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter
Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 42
Stofftrennung
sortieren / aussortieren
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 43
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden
(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).
Sieben (Trennung über Teilchengröße)
Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)
Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)
Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen
Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter
Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 44
Stofftrennung - Sieben
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 45
Molekularsiebe - Zeolithe
Zeolith A
Na12((AlO2)12(SiO2)12) • 27 H2O
Faujasit
(Na,Ca0,5,Mg0,5,K)• (AlxSi12- x O24) • 16 H2O
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 46
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden
(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).
Sieben (Trennung über Teilchengröße)
Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)
Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)
Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen
Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter
Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 47
Stofftrennung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 48
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden
(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).
Sieben (Trennung über Teilchengröße)
Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)
Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)
Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen
Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter
Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 49
Stofftrennung
90 % aller Kupfer-, Zink- und Bleierze werden durch Flotation aufkonzentriert
Flotiertes Kupfersulfid
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 50
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden
(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).
Sieben (Trennung über Teilchengröße)
Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)
Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)
Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen
Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter
Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 51
Stofftrennung
Absetzbecken Kläranlage - Sedimentation Sedimentation und
Dekantieren
Zentrifuge
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 52
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
Sortieren: Die festen Phasen werden nach erkennbaren Unterschieden
(z.B. Farbe) räumlich getrennt (manuell oder maschinell).
Sieben (Trennung über Teilchengröße)
Einsatz von Magneten (magnetische Eigenschaften)
Flotation (Trennung über unterschiedliche Benetzbarkeit)
Sedimentieren und Dekantieren: Trennung von Suspensionen
Einsatz von Zentrifuge oder Scheidetrichter
Filtrieren: Abtrennen fester Stoffe von Flüssigkeiten oder Gasen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 53
Stofftrennung
Luftfilter - Auto Büchnertrichter
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 54
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
Abdampfen, Trocknen: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte
Sublimieren: Trennung durch unterschiedlicher Sublimationspunkte
Sublimation:
Übergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand
ohne sich vorher zu verflüssigen (schmelzen).
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 55
Stofftrennung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 56
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
Abdampfen, Trocknen: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte
Sublimieren: Trennung durch unterschiedlicher Sublimationspunkte
Sublimation:
Übergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand
ohne sich vorher zu verflüssigen (schmelzen).
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 57
Stofftrennung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 58
Stofftrennung
Heterogene Gemische
Trennung durch physikalische Verfahren:
Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
Abdampfen, Trocknen: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte
Sublimieren: Trennung durch unterschiedlicher Sublimationspunkte
Sublimation:
Übergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand
ohne sich vorher zu verflüssigen (schmelzen).
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 59
Stofftrennung
sublimiertes Iod
sublimiertes Ferrocen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 60
Stofftrennung
Homogene Gemische
Trennung durch Änderung der physikalischen Bedingungen:
Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
Kristallisation: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
Destillation: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte
Chromatographie: Trennung durch unterschiedliche Verteilung von
Stoffen zwischen mobiler und stationärer Phase
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 61
Stofftrennung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 62
Stofftrennung
Homogene Gemische
Trennung durch Änderung der physikalischen Bedingungen:
Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
Kristallisation: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
Destillation: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte
Chromatographie: Trennung durch unterschiedliche Verteilung von
Stoffen zwischen mobiler und stationärer Phase
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 63
Stofftrennung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 64
Destillation von Erdöl
Fördermengen der OPEC-
Mitgliedsländer (Mio Barrel, tägl.)
Naher
Osten
Saudi Arabien
Iran
Irak
V. A. Emirate
Kuwait
Katar
8,4
3,72
2,55
2,35
2,32
0,82
Afrika
Nigeria
Libyen
Algerien
2,1
1,59
1,25
Amerika Venezuela 2,21
Ecuador 0,47
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 65
Stofftrennung
Homogene Gemische
Trennung durch Änderung der physikalischen Bedingungen:
Extraktion: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
Kristallisation: Trennung durch unterschiedliches Löslichkeitsverhalten
Destillation: Trennung durch unterschiedliche Siedepunkte
Chromatographie: Trennung durch unterschiedliche Verteilung von
Stoffen zwischen mobiler und stationärer Phase
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 66
Stofftrennung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 67
Gesetz der konstanten Proportionen
2 Volumenanteile
Wasserstoff
1 Volumenanteil
Sauerstoff
Hofmann´scher Zersetzungsapparat
Wasser + Energie Wasserstoff + Sauerstoff
Volumenverhältnis: 2 : 1
Massenverhältnis : 1 : 7,936
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 68
Analoge Beobachtungen bei anderen Verbindungen:
Chlorwasserstoff: Wasserstoff : Chlor = 1 : 35,175
Ammoniak: Wasserstoff : Stickstoff = 1 : 4,632
Methan: Wasserstoff : Kohlenstoff = 1 : 2,979
Gesetz der konstanten Proportionen
Joseph Louis Proust
1754 - 1826
Gesetz der konstanten Proportionen:
Das Massenverhältnis zweier sich zu einer chemischen Verbindung vereini-
gender Elemente ist konstant.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 69
Gesetz der multiplen Proportionen
Sauerstoff + Stickstoff 5 unterschiedliche Verbindungen
Verb. 1: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 0,571 : 1 = (1 • 0,571) : 1
Verb. 2: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 1,142 : 1 = (2 • 0,571) : 1
Verb. 3: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 1,713 : 1 = (3 • 0,571) : 1
Verb. 4: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 2,284 : 1 = (4 • 0,571) : 1
Verb. 5: Massenverhältnis Sauerstoff : Stickstoff = 2,855 : 1 = (5 • 0,571) : 1
John Dalton, 1766 - 1844
Gesetz der multiplen Proportionen:
Die Massenverhältnisse zweier sich zu verschiedenen
chemischen Verbindungen vereinigender Elemente
stehen im Verhältnis ganzer Zahlen zueinander.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 70
Einführung in die Atomtheorie
John Dalton, 1766 - 1844
Dalton´sche Atomtheorie (1803- 1808):
Elemente bestehen aus extrem kleinen Teilchen, den
Atomen. Alle Atome eine Elements sind gleich und die
Atome verschiedener Elemente sind verschieden.
Bei chemischen Reaktionen werden Atome miteinander
verbunden oder voneinander getrennt. Dabei werden nie
Atome zerstört oder neu gebildet, und kein Atom eines
Elements wird in das eines anderen Elements verwandelt.
Eine chemische Verbindung resultiert aus der Verknüpfung
der Atome von zwei oder mehr Elementen. Eine gegebene
Verbindung enthält immer die gleichen Atomsorten, die in
einem festen Mengenverhältnis miteinander verknüpft sind.
Atom
Der Name leitet sich vom griechischen ἄτομος átomos ab, was „das Unzerschneidbare“
bedeutet (von ἀ a ‚un-‘ und τέμνειν témnein ‚schneiden‘, häufig auch übersetzt mit „das
Unteilbare“). Atome sind die kleinste Einheit, in die sich Materie mit chemischen oder
mechanischen Mitteln zerlegen lässt.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 71
Chemisches Volumengesetz
1 Vol. Wasserstoff + 1 Vol. Chlor 2 Vol. Chlorwasserstoff
3 Vol. Wasserstoff + 1 Vol. Stickstoff 2 Vol. Ammoniak
Joseph Louis Gay-Lussac
1778 - 1850
Chemisches Volumengesetz:
Das Volumenverhältnis gasförmiger, an einer chemischen
Umsetzung beteiligter Stoffe lässt sich bei gegebener
Temperatur und Druck durch einfache ganze Zahlen
wiedergegeben.
Amedeo Avogadro
1776 - 1856
Die Massen gleicher Volumina elementarer Gase verhalten
sich wie die Verbindungsmassen dieser Gase oder deren
Vielfache.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 72
Avogadrosche Molekülhypothese
Amedeo Avogadro
1776 - 1856
Erwartet:
1 Vol. Wasserstoff + 1 Vol. Chlor 1 Vol. Chlorwasserstoff
Schlussfolgerung:
Gleiche Volumina von Wasserstoff und Chlor besitzen nicht die gleiche Anzahl von
Atomen, sondern eine gleiche Anzahl größerer, mindestens aus zwei Atomen
bestehenden Komplexen, den sog. Molekülen (A. Avogadro, 1811).
,,, +
+
Gefunden:
1 Vol. Wasserstoff + 1 Vol. Chlor 2 Vol. Chlorwasserstoff
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 73
Avogadrosches Gesetz
Amedeo Avogadro
1776 - 1856
Avogadrosches Gesetz:
Gleiche Volumina idealer Gase enthalten bei gleichem Druck und gleicher
Temperatur gleich viele Moleküle.
+ =
1 Vol. 1 Vol. 2 Vol.
Wasserstoff Chlor Chlorwasserstoff
+ =
1 Vol. 2 Vol.
Wasserstoff Sauerstoff
2 Vol.
Wasserdampf
3 Vol.
Wasserstoff
+ =
1 Vol.
Stickstoff
2 Vol.
Ammoniak
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 74
Das Elektron
Dalton´sche Atomtheorie: Atome sind die kleinstmöglichen Bausteine der Materie.
Humphry Davy (1778 – 1829)
Zersetzung von Verbindungen mit elektrischem Strom.
Anziehungskräfte werden auf elektrische Gründe zurück geführt
(1807 – 1808).
Michael Faraday (1791 – 1867):
Beziehung zwischen zersetzter Stoffmenge und eingesetzter
Strommenge (1832 – 1833).
Faradayschen Gesetze!
George Johnstone Stoney (1826 – 1911):
Schlägt die Existenz von elektrischen Ladungsträgern vor, die mit
Atomen assoziiert sind. 1891 gab er diesen Ladungsträgern den
Namen Elektron.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 75
Das Elektron
Julius Plücker (1801 – 1868):
Endeckung der Kathodenstrahlung, beim Versuch Strom durch
Vakuum zu leiten (1859).
Strahlen stellen schnell
bewegte, negativ
geladene Teilchenströme
dar, die Elektronen.
Unabhängig von der
Zusammensetzung der
Kathode werden immer
Elektronen gleicher Art
abgestrahlt.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 76
Die Ladung des Elektrons – Millikan-Versuch
Robert A. Millikan
1868 – 1953
Nobelpreis 1923
Elementarladung des Elektrons = 1,602177 • 10-19 C
Masse des Elektrons = 9,1094 • 10-28 g
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 77
Das Proton
Erzeugung von positiv geladenen Kanalstrahlen
Joseph J. Thomson
1856 - 1940
Wilhelm Wien
1864 - 1928
Bsp.: Ne Ne+ Ne2+ e- e-
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 78
Das Neutron
Elektrisch neutrale Atome: bestehen aus Elektronen + Protonen
Elektronenzahl = Protonenzahl
Problem: Masse der Atome (Ausnahme Wasserstoff) ist größer als die Summe
der Massen der darin enthaltenen Protonen und Elektronen.
Ernest Rutherford (1871 – 1937)
Postuliert 1920 die Existenz zusätzlicher,
ungeladener Teilchen.
James Chadwick (1891 – 1974)
Weist 1932 die Existenz des Neutrons aus
Messwerten von Kernprozessen nach.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 79
Das Rutherford-Atommodell
Ablenkung und Rückstoß von α-Teil-
chen durch die Atomkerne einer
Metallfolie.
Beschuss einer 0,004 mm dicken
Gold-, Silber- oder Kupferfolie mit
α-Teilchen (= 2-fach positiv
geladene Teilchen).
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 80
Das Rutherford-Atommodell
Schlussfolgerungen:
• Ein Atom besteht aus einem Atomkern und Elektronen.
• Fast die gesamte Masse und die ganze positive Ladung ist im Atomkern
vereinigt.
• Protonen werden durch starke Kernkräfte zusammen gehalten (obwohl
Protonen sich gegenseitig abstoßen!)
• Die Elektronen nehmen fast das ganze Volumen des Atoms ein.
• Die Elektronen befinden sich außerhalb des Atomkerns und umkreisen ihn in
schneller Bewegung.
• Anzahl der Protonen im Kern stimmt mit der Anzahl der Elektronen überein
(Neutralitätsregel).
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 81
Das Rutherford-Atommodell
Durchmesser von
Atomkernen = 10-15 m (1 fm = 1 Femtometer)
Atomen = 100 • 10-12 – 400 • 10-12 m (100 – 400 pm)
Verhältnis Durchmesser Atomkern : Atom = 1/10 000 – 1/ 100 000
Der Großteil eines Atoms ist leerer Raum!
Masse [g] Masse [u]* Ladung [e]** Symbol
Elektron 9,10939 • 10-28 0,00054858 - 1 e-
Proton 1,67262 • 10-24 1,007276 + 1 p
Neutron 1,67493 • 10-24 1,008665 0 n
* Eine Atommasseneinheit [u] ist 1/12 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C.
** Die Einheit der Ladung ist e = 1,602177 • 10-28 Coulomb.
Subatomare Teilchen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 82
Elementsymbole / Atomsymbole
Lavoisier Altphilosophen
Feuer Erde Wasser Luft
Alchemisten
Zinn Blei Gold Schwefel
Quecksilber Silber Eisen
Dalton
Wasser- Magne- Sauer- Schwefel
stoff sium stoff
Ammoniak Kohlendioxid
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 83
Elementsymbole / Atomsymbole
El Massenzahl
Ordnungszahl El
Anzahl Protonen
Anzahl Neutronen
Anzahl Protonen
+
Anzahl Elektronen
=
H 1
1 1 Proton + 1 Elektron
Cl 35
17 17 Protonen + 18 Neutronen + 17 Elektronen
C 12
6 6 Protonen + 6 Neutronen + 6 Elektronen
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 84
Isotope
1 Proton + 1 Neutron + 1 Elektron
H 1
1 1 Proton + 1 Elektron
H 2
1
H 3
1 1 Proton + 2 Neutronen + 1 Elektron
Wasserstoff
Deuterium
= schwerer Wasserstoff
Tritium
= überschwerer Wasserstoff
Isotope (griechisch ἴσος, ísos „gleich“ und τόπος, tópos „Ort, Stelle“)
Isotope sind Atome des selben Elements, aber mit unterschiedlichen Massen-
zahlen. Isotope eines Elements haben die gleiche Anzahl an Protonen, aber
eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen.
= D
= T
= H
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 85
Isotope
Reinelement:
Chemisches Element, von dem nur ein einziges Isotop existiert. Es besteht aus
den gleichen Atomen, welche die selbe Anzahl an Protonen und Neutronen im
Atomkern enthalten.
Es existieren 22 Reinelemente, z. Bsp. F, Na, Al, P, …
Physikalische Eigenschaften von Wasserstoff
Eigenschaften H2 HD D2 T2
Siedepunkt [K] 20,39 22,13 23,67 25,04
Gefrierpunkt [K] 15,95 16,60 18,65 ---
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 86
Isotope
Physikalische Eigenschaften von H2O und D2O
Eigenschaften H2O D2O
Siedepunkt [°C] 100 101,42
Gefrierpunkt [°C] 0 3,8
Temp. Dichtemax. [°C] 3,96 11,6
Dichte bei 20°C [g/cm3] 0,99823 1,10530
Ionenprodukt bei 25°C 1,01 • 10-14 0,195 • 10-14
[mol2/l2]
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 87
Isotopentrennung - Massenspektrometrie
Ablenkung im Massenspektrometer ~ e/m Beispiel eines Massenspektrogramms
Massen-analysator
Dedektor Datensystem Ionenquelle
Einlass-System
Vakuum
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 88
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 89
Isotopentrennung – Technisch wichtige Verfahren
Urananreicherung
Gaszentrifugenverfahren
Trennung von 235UF6 und 238UF6
Schweres Wasser D2O
Elektrolyse von Wasser
Ausnutzung des Isotopeneffekts
Anreicherung von
schwerem Wasser
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 90
Isotopentrennung – Technisch wichtige Verfahren
K. Clusius, Chem. Ing. Tech. 35, 422 (1963).
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 91
Absolute und relative Atommassen
Absolute Atommasse:
Die Atommasseneinheit ist der zwölfte Teil des Kohlenstoffisotops 12C
und hat die Einheit [u].
1 u wird auch als Atommasseneinheit bezeichnet.
1 u = 1,660 538 782(83) • 10−27 kg
Relative Atommasse:
Die relative Atommasse stellt das Verhältnis zwischen einem
betrachteten Element und der absoluten Atommasse dar
(dimensionslos!).
Die relative Atommasse gibt an, um wie viel schwerer ein betrachtetes
Element in Bezug auf die absolute Atommasse ist.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 92
Mittlere relative Atommassen
Beispiel:
Chlor kommt mit den natürlichen Isotopen 35Cl (Masse 34,969 u) und 37Cl
Masse 36,966 u) vor. Die Häufigkeit (ω) dieser beiden Isotope beträgt
75,77 % und 24,23 %. Die mittlere Atommasse ergibt sich somit zu:
35Cl: 0,7577 • 34,969 u = 26,496 u
37Cl: 0,2423 • 36,966 u = 8,957 u
mittlere Atommasse = 35,453 u
________
Mittlere relative Atommasse (mElement):
mElement = ∑ ωi • mIsotop ; ∑ ωi = 1
ω = Häufigkeit
i i
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 93
Wasserstoff 1,00794
Helium 4,002602
Lithium 6,941
Beryllium 9,012182
Bor 10,811
Kohlenstoff 12,011
Stickstoff 14,00674
Sauerstoff 15,9994
Fluor 18,9984032
Neon 20,1797
Natrium 22,989768
Magnesium 24,305
Aluminium 26,981539
Silicium 28,0855
Phosphor 30,973762
Schwefel 32,066
Chlor 35,4527
Argon 39,948
Kalium 39,0983
Calcium 40,078
Scandium 44,95591
Titan 47,88
Vanadium 50,9415
Chrom 51,9961
Mangan 54,93805
Eisen 55,847
Cobalt 58,9332
Nickel 58,69
Kupfer 63,546
Zink 65,39
Gallium 69,723
Germanium 72,61
Arsen 74,92159
Selen 78,96
Brom 79,904
Krypton 83,8
Rubidium 85,4678
Strontium 87,62
Yttrium 88,90585
Zirconium 91,224
Niob 92,90638
Molybdän 95,94
Technetium 98,9063
Ruthenium 101,07
Rhodium 102,9055
Palladium 106,42
Silber 107,8682
Cadmium 112,411
Indium 114,82
Zinn 118,71
Antimon 121,75
Tellur 127,6
Iod 126,90447
Xenon 131,29
Cäsium 132,90543
Barium 137,327
Lanthan 138,9055
Cer 140,115
Praseodym 140,90765
Neodym 144,24
Relative Atommassen (Ersten 60 Elemente, nach steigenden Atommassen geordnet)
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 94
Das Mol:
Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso vielen
Einzelteilchen besteht, wie Atome in 12 Gramm des Kohlenstoffisotops 12C
enthalten sind; seine Einheit ist [mol].
Die Teilchenzahl (NA/L), die ein Mol eines jeden Stoffes enthält, beträgt:
NA/L = 6,02214 • 1023 mol-1
Sie wird als Avogadro-Konstante oder Loschmidt-Konstante bezeichnet.
Das Mol
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 95
Molares Gasvolumen
Molares Gasvolumen (Molvolumen):
Das molare Volumen eines idealen Gases unter Normbedingungen
(273,15 K, 1 atm) beträgt:
VM = 22,4141 l / mol
Normbedingungen:
Tn = 273,15 K ( = 0 °C); Druck pn = 101.325 Pa ( = 1 atm)
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 96
Die molare Masse
Vorteil der Angabe von Stoffmengen und nicht von Massen:
Gleiche Stoffmengen verschiedener Stoffe besitzen die gleiche
Teilchenzahl. Bei chemischen Reaktionen ist die Teilchenzahl wichtig.
Die molare Masse M eines Stoffes X ist der Quotient aus der Masse m(X)
und der Stoffmenge n(X) dieses Stoffes:
Bsp.: M(Na)* = 22,98977 g / mol
M(F)* = 18,998403 g / mol
M(S) = 32,06 g / mol
*Reinelement:
Ein Reinelement ist ein chemisches Element, von dem in der Natur nur ein einziges Isotop existiert.
M(X) = m(X)
n(X)
_____ [kg / mol]
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 97
Relative Molekül- und Formelmasse
Relative Molekül- und Formelmasse:
Die relative Molekülmasse ist gleich der Summe der relativen
Atommassen (Ar) der im Molekül (Mr) enthaltenen Atome.
Besteht die Verbindung nicht aus Molekülen, wie z.B. bei Ionen-
verbindungen, so wird der Begriff Formelmasse (Mr) verwendet.
Beispiele:
Mr(CO2) = Ar(C) + 2 Ar(O) = (12,011 + 2 • 15,9994) g/mol = 44,0098 g/mol
Mr(NaCl) = Ar(Na) + Ar(Cl) = (22,98977 + 35,453) g/mol = 58,44277 g/mol
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 98
Der Massendefekt
Die Beobachtung, dass die Masse eines Atoms (Ausnahme
Wasserstoff) stets kleiner ist als die Summe der Massen
seiner Potonen, Neutronen und Elektronen, wird als
Massendefekt bezeichnet.
E = m • c2
1879 - 1955
Der Massendefekt entspricht der Bindungsenergie des Atomkerns.
E = Energie; m = Masse; c = Lichtgeschwindigkeit (2,99 • 106 m/s)
Energiegewinn
durch
Kernfusion
Energiegewinn
durch
Kernspaltung
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 99
Internationales Einheitensystem
SI-Einheiten
(franz. système international d’unités)
Basisgröße und
Dimensionsname
Einheit Symbol
Länge Meter m
Masse Kilogramm kg
Zeit Sekunde s
Elektrischer Strom Ampère A
Temperatur Kelvin K
Stoffmenge Mol mol
Leuchtstärke Candela cd
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 100
SI-Einheiten
Internationaler Meterprototyp, Standardbarren aus Platin-Iridium,
der Standard bis 1960
17. Generalkonferenz für Maße und Gewichte 1983:
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum wurde auf 299.792.458 m/s
festgelegt und definierte ein Meter als „die Strecke, die das Licht im
Vakuum in einer Zeit von 1 / 299.792.458 Sekunde zurücklegt“.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 101
SI-Einheiten
Bezeichnung Einheit Faktor Vielfaches Anmerkung
Yottameter Ym 1024
Zettameter Zm 1021
Exameter Em 1018
Petameter Pm 1015
Terameter Tm 1012
Gigameter Gm 109 1.000.000 km
Megameter Mm 106 1.000 km gebräuchlich in der Ozeanologie
Myriameter 104 10 km veraltet
Kilometer km 103 1.000 m
Hektometer hm 102 100 m Vor allem verwendet bei Artillerie und Marine
Dekameter dam 101 10 m Anfang des 20. Jahrhunderts findet sich die Bezeichnung
„Kette“ als Synonym für Dekameter.
Meter m 100 Grundmaß
Dezimale Vielfache der Längeneinheit Meter
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 102
Bezeichnung Einheit Faktor Vielfaches Anmerkung
Meter m 100 Grundmaß
Dezimeter dm 10-1 10 cm
Zentimeter cm 10-2 10 mm
Millimeter mm 10-3 1.000 µm 10 Millimeter sind 1 Zentimeter.
Mikrometer µm 10-6 0,001 mm Veraltete Bezeichnung: Mikron.
Nanometer nm 10-9 Entspricht einem Milliardstel Meter (einem Millionstel
Millimeter).
Ångström Å 10-10 100 pm gebräuchlich in der Atomphysik und in der Kristallographie
Pikometer pm 10-12 Entspricht einem Billionstel Meter (einem Milliardstel
Millimeter).
Femtometer fm 10-15 Unter der veralteten Bezeichnung Fermi in der Kernphysik und
in der Teilchenphysik gebräuchlich.
Attometer am 10-18
Zeptometer zm 10-21
Yoctometer ym 10-24
SI-Einheiten
Dezimale Vielfache der Längeneinheit Meter
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 103
Internationales Einheitensystem
SI-Einheiten
(franz. système international d’unités)
Basisgröße und
Dimensionsname
Einheit Symbol
Länge Meter m
Masse Kilogramm kg
Zeit Sekunde s
Elektrischer Strom Ampère A
Temperatur Kelvin K
Stoffmenge Mol mol
Leuchtstärke Candela cd
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 104
SI-Einheiten
Internationale Kilogrammprototyp
(seit 1889)
Es handelt sich um einen Zylinder
von 39 Millimeter Höhe und 39
Millimeter Durchmesser, der aus
einer Legierung von 90 % Platin und
10 % Iridium besteht
Avogadroprojekt: 28Si-Kugel für das Avogadroprojekt:
Bestimmung der Avogadro-Konstante NA aus Masse m
und Volumen V eines Körpers, der aus einem Material
bekannter Teilchendichte n und molarer Masse M
besteht: M • V • n
m NA =
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 105
Internationales Einheitensystem
SI-Einheiten
(franz. système international d’unités)
Basisgröße und
Dimensionsname
Einheit Symbol
Länge Meter m
Masse Kilogramm kg
Zeit Sekunde s
Elektrischer Strom Ampère A
Temperatur Kelvin K
Stoffmenge Mol mol
Leuchtstärke Candela cd
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 106
SI-Einheiten
Maßeinheit Sekunde [s]:
Definition der Sekunde als Vielfaches der Periode einer Mikrowelle, die
mit einem ausgewählten Niveauübergang im Caesiumatom in Resonanz
ist (-> Atomsekunde).
Definition Sekunde:
Eine Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem
Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des
Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden
Strahlung.
Definition Ampere:
Ein Ampere ist die Stärke des zeitlich konstanten elektrische Stromes, der
im Vakuum zwischen zwei parallelen, unendlich langen, geraden Leitern
mit vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt und dem
Abstand von zwischen diesen Leitern eine Kraft von Newton pro Meter
Leiterlänge hervorrufen würde.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 107
Internationales Einheitensystem
SI-Einheiten
(franz. système international d’unités)
Basisgröße und
Dimensionsname
Einheit Symbol
Länge Meter m
Masse Kilogramm kg
Zeit Sekunde s
Elektrischer Strom Ampere A
Temperatur Kelvin K
Stoffmenge Mol mol
Leuchtstärke Candela cd
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 108
SI-Einheiten
Defintion Temperatur [K]:
Ein Kelvin ist der 273,16te Teil der
thermodynamischen Temperatur
des Tripelpunktes von Wasser, bei
dem dessen feste, flüssige und
gasförmige Phase koexistieren.
Der Nullpunkt der Kelvinskala liegt
beim absoluten Nullpunkt. Der
Wert 273,16 ist so gewählt, dass
die Fixpunkte der historischen
Celsius-Skala etwa 100 K
auseinander liegen.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 109
SI-Einheiten
Temperatur in °C Objekt
14.800.000 Zentrum der Sonne
1.000.000 bis 2.000.000 Sonnenkorona
7.000 Erdkern
5.500 Oberfläche der Sonne
3.000 Flamme eines Schweißbrenners (Acetylen+Sauerstoff)
2.500 Glühwendel von Glühlampen
700–1.250 Magma
950 Flamme eines Gasherdes
800 Streichholzflamme
> 400 Pizzaofen
ca. 230 Bügeleisen (Einstellung: Leinen)
100 Siedepunkt von Wasser bei Normaldruck
36 bis 37 Körpertemperatur eines gesunden Menschen
0 Gefrierpunkt von Wasser bei Normaldruck
−78,5 Sublimation von Trockeneis bei Normaldruck
−195,8 Siedepunkt von Flüssigstickstoff bei Normaldruck
−270,4 Temperatur des Weltalls (Hintergrundstrahlung)
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 110
Internationales Einheitensystem
SI-Einheiten
(franz. système international d’unités)
Basisgröße und
Dimensionsname
Einheit Symbol
Länge Meter m
Masse Kilogramm kg
Zeit Sekunde s
Elektrischer Strom Ampere A
Temperatur Kelvin K
Stoffmenge Mol mol
Leuchtstärke Candela cd
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 111
Internationales Einheitensystem
Definition Candela [cd]:
Eine Lichtquelle hat in einer gegebenen Raumrichtung 1 cd
Lichtstärke, wenn sie auf einem Sensor mit der genormten
spektralen Empfindlichkeitsverteilung des menschlichen Auges
dasselbe Signal erzeugt wie monochromatisches Licht der Frequenz
540 · 1012 Hz und der Strahlungsstärke von 1/683 W/sr.
10-2 cd
2•1027 cd
800 cd
3•1016 cd 1 cd
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 112
Größe Einheit Symbol
Kraft Newton = kg • m • s-2 N
Energie Joule = N • m = kg • m2 • s-2 J
Leistung Watt = J • s-1 = kg • m2 • s-3 W
Druck Pascal = N • m-2 = kg • m-1 • s-2 Pa
Elektrische Ladung Coulomb = A • s C
Elektrische Potentialdifferenz Volt = W • A-1 = J • C-1 V
Elektrischer Widerstand Ohm = V • A-1 Ω
Elektrische Leitfähigkeit Siemens = Ω-1 = V-1 • A S
Elektrische Kapazität Farad = C • V-1 F
Magnetischer Fluss Weber = V • s Wb
Induktivität Henry = V • s • A-1 H
Magnetische Induktion Tesla = V • s • m-2 T
Frequenz Hertz = s-1 Hz
Radioaktivität Becquerel = s-1 Bq
Absorbierte Energiedosis Gray = J • kg-1 Gy
Dosis-Äquivalent Sievert = J • kg-1 Sv
Abgeleitete-Einheiten
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 113
Konstante Symbol Zahlenwert
Avogadro-Zahl NA 6,022137 • 1023 mol-1
Bohr-Radius a0 5,29177 • 10-11 m
Elektron, Ruhemasse 9,10939 • 10-28 g
5,485799 • 10-4 u
Elementarladung e 1,6021773 • 10-19 C
Faraday-Konstante F = NA • e 9,648531 • 104 C • mol-1
Ideale Gaskonstante R 8,31451 J • mol-1 • K-1
Lichtgeschwindigkeit c 2,99792458 • 108m s-1
Molares Volumen eines idealen
Gases
VM 22,4141 l • mol-1
Neutron, Ruhemasse 1,674929 • 10-24 g
1,00866501 u
Planck-Konstante h 6,626076 • 10-34 J • s
Proton, Ruhemasse 1,672623 • 10-24 g
1,00727647 u
Normalfallbeschleunigung gm 9,80665 m • s-2
Naturkonstanten
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 114
Aggregatzustände (Teilchenmodell)
Gase
- frei voneinander bewegliche Teilchen
- füllen gesamten zur Verfügung stehenden Raum aus
- 1000 bis 2000-fachen Volumenanspruch im Vergleich zu
Flüssigkeit oder Festkörper
Flüssigkeiten
- Anziehungskräfte zw. Teilchen bedingen
def. Volumen aber keine Formstabilität
- Teilchen nehmen keine fixierten Plätze
ein, sie bewegen sich
- kaum Änderung des Volumens durch
Druckänderung
Festkörper
- Anziehungskräfte zw. Teilchen bedingen Zusammenhalt
- Teichen schwingen auf festen Positionen
- bedingte Verformbarkeit
Verdampfen
Kondensieren
Schmelzen
Erstarren
Sublimation
Resublimation
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 115
Gase
Ideales Gas
• Gasförmige Atome und Moleküle sind
vernachlässigbar klein verglichen mit ihrem
mittleren Abstand in der Gasphase.
• Die Gasteilchen üben keine
wechselseitigen Kräfte aufeinander aus.
• Bei Stößen untereinander oder mit den
Wänden wird Impuls und Energie
ausgetauscht. Die Stöße sind elastisch.
• Alle Geschwindigkeitsrichtungen kommen
gleich häufig vor.
• Bei Zufuhr von Energie (Temperatur-,
Druckerhöhung) ändert sich ihre kinetische
Energie.
• Die Beträge der Geschwindigkeiten aller
Gasteilchen haben eine Maxwell –
Boltzmann - Verteilung.
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 116
Gase
Luftdruck Luftdruck
Quecksilber
Vakuum
760 mm Hg-Säule
760 mm Hg-Säule = 760 Torr = 1 atm = 101,325 kPa ≈ 1013 hPa = 1,013 bar
Die mm-Quecksilbersäule
stellt die gesetzliche Einheit
zur Angabe von Drücken von
Körperflüssigkeiten, insbe-
sondere des Blutdrucks in
Deutschland und in der
Schweiz dar.
Gasdruck:
Der Gasdruck entsteht als Summe aller durch ein Gas oder Gasgemisch
wirkenden Kräfte auf eine Gefäßwand ( ). Stößt ein Gasteilchen an eine Wand,
so tauschen beide einen Impuls aus. Je wärmer das Gas ist, desto schneller sind
die Teilchen und desto größer ist auch der Druck
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 117
Gas-Gesetze
Vo
lum
en
Druck
Boyle-Mariotte:
T = const.
p • V = const.
p1 • V1 = p2 • V2
Bei konstanter Teilchenzahl n gelten folgende Gas-Gesetze
T [K], V [l], p [Pa]:
p • V
T = const. p1 • V1
T1
p2 • V2
T2
=
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 118
Gas-Gesetze
Bei veränderlicher Teilchenzahl n gilt das allgemeine Gasgesetz:
p • V = n • R • T
p: Druck [Pa]
V: Volumen [l]
n: Teilchenzahl [mol]
R: 8,31451 [J• mol-1 • K-1] allgemeine Gaskonstante
T: Temperatur [K]
Vo
lum
en
Temp. [°C] - 273 0
Gay-Lussac:
p = const. V = const.
V ~ T p ~ T
V1 • T2 = V2 • T1 p1 • T2 = p2 • T1
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 119
Gasverflüssigung: Linde-Verfahren
Substanz Kritische
Temperatur [K]
Kritischer Durck
[MPa]
He
H2
N2
CO
O2
CH4
CO2
NH3
H2O
5,3
33,3
126,1
134,0
154,4
190,2
304,2
405,6
647,2
0,229
1,30
3,39
3,55
5,04
4,62
7,38
11,30
22,05
Kritische Temperatur:
Oberhalb dieser Temperatur lässt sich ein Gas nicht mehr verflüssigen, gleichgültig wie hoch
der Druck ist.
Kritischer Druck:
Mindestdruck, welcher zur Verflüssigung des Gases bei seiner kritischen Temperatur benötigt
wird.
Ausnutzung des Joule-Thomson-Effekts
Allgemeine Chemie für Studierende mit Nebenfach Chemie - © Andreas Rammo 120
Funktionsweise Kühlschrank / Wärmepumpe