Allgemeine und Anorganische Chemie für Naturwissenschaftler und Lehramstkandidaten

145 Pages·2015·1.33 MB·German

by  Dr. Christian Buchsbaum

Skript zur Vorlesung
Allgemeine
und
Anorganische Chemie
für
Naturwissenschaftler
Wintersemester 2014/2015
Teil1:AllgemeinerTeil
Dr. Christian Buchsbaum

Inhaltsverzeichnis
Vorwort xiii
1 Chemie 1
1.1 WasistChemieundwomitbeschäftigtsiesich? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 HistorischeEntwicklungderChemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Elemente,VerbindungenundGemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Atomtheorie 5
2.1 Dalton-Atomtheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 DasElektron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 DasProton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 DasNeutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5 Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6 AtommodellnachRutherford . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.7 Atomsymbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.8 Isotope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.9 Atommassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 ElektronenstrukturderAtome 15
3.1 ElektromagnetischeStrahlung,Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 AtommodellnachBohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 QuantenmechanischesAtommodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4 Orbitalbesetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.5 Periodensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4 Stöchiometrie 25
4.1 Atome,Moleküle,Ionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2 ChemischeVerbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3 DasMol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4 ProzentualeZusammensetzungvonVerbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.5 Reaktionsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.6 LösungenundStoffmengenkonzentrationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5 ChemischesGleichgewicht 31
5.1 ReversibleundirreversibleReaktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.2 Massenwirkungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.3 LagedesGleichgewichtsundderenBeeinflussung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
iii
Inhaltsverzeichnis
6 ThermodynamikundKinetik 37
6.1 Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.2 SatzvonHess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.3 EntropieundFreieEnthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6.4 Kinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.5 Geschwindigkeitsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.6 RadikalischeKettenreaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7 Gase,Flüssigkeiten,Feststoffe 47
7.1 Phasenbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.2 Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.2.1 BeziehungenzwischendenZustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.3 Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.4 Wasserstoffbrückenbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.5 Feststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.6 PhasenübergängealsÄnderungdesAggregatzustands . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.7 Phasendiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.7.1 PhasendiagrammundEigenschaftenvonWasser . . . . . . . . . . . . . . 54
7.7.2 PhasendiagrammvonKohlenstoffdioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.8 WasseralsLösungsmittel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.9 Löslichkeitsprodukt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8 ChemischeBindung 63
8.1 Van-der-Waals-Bindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8.2 Wasserstoffbrückenbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.3 MetallischeBindungI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.4 IonischeBindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
8.5 KovalenteBindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
8.5.1 Lewis-Formeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8.5.2 Molekülorbitale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8.5.3 MetallischeBindungII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
9 SäurenundBasen 85
9.1 IonenproduktdesWassers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
9.2 Säure–Base-KonzeptnachBrønsted . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
9.3 pH-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
9.4 StarkeundschwacheBrønsted-Säurenund-Basen . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
9.5 MehrprotonigeSäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.6 ReaktionvonSalzenmitWasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.7 Puffersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
9.8 Lewis-Säurenund-Basen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
10 Elektrochemie 107
10.1 OxidationundReduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
10.2 Oxidationszahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
iv SkriptAAC-NaWiWS14/15,vorläufigeFassung
Inhaltsverzeichnis
10.3 Redox-Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
10.4 RedoxpotentialeundSpannungsreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
10.5 Nernst-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
A MathematischerAnhang 125
A.1 Logarithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
A.2 PhysikalischeGrößen,eckigeKlammernetc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
A.3 WichtigeKonstantenundFormeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.3.1 Basiseinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.3.2 AbgeleiteteSI-Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.3.3 Naturkonstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.4 StammfunktionenundAbleitungen(Auswahl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
B Periodensystem 129
SkriptAAC-NaWiWS14/15,vorläufigeFassung v

Abbildungsverzeichnis
1.1 AuftrennungvonMateriebishinzumElement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1 Versuche mit Kathodenstrahlen: Ablenkung im elektrischen und im magneti-
schenFeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 ÖltröpfchenversuchnachMillikan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Kanalstrahlexperiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 PrinzipdesRutherford-Versuchs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5 PrinzipeinesMassenspektrometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1 BohrschesAtommodell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 KonstruktiveInterferenzzweierWellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 DestruktiveInterferenzzweierWellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.4 Grenzflächendarstellungen:s-Orbital,p-Orbitale,d-Orbitale. . . . . . . . . . . . . 18
3.5 EnergetischeAbfolgevonAtomorbitalen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.6 PrinzipeinerRöntgenröhre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.7 TendenzenimPSE:Atomradius,Ionisierungsenergie,Elektronegativität. . . . . . 24
6.1 EinMolekülA reagiertmiteinemMolekülX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2 2
6.2 EnergiediagrammefüreineexothermeundendothermeReaktion.. . . . . . . . . 41
6.3 EnergiediagrammefüreineendothermeReaktionmitundohneKatalysator. . . 42
6.4 EnergiediagrammefüreineendothermeReaktionmitundohneKatalysator;Dar-
stellungmitKatalysator-Komplexen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.1 PrinzipeinesBarometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.2 PrinzipeinesManometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.3 ElektrischerDipol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.4 AnordnungvonDipolenineinerFlüssigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.5 AtomohneDipolmoment.AtommittemporäremDipolmoment.Induziertetem-
poräreDipolebeibenachbartenAtomen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.6 Lewis-FormelvonWasser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.7 WassermolekülundLadungsverteilung;verschiedeneSchreibweisen. . . . . . . . 52
7.8 DarstellungvonWasserstoffbrückenbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.9 SiedepunktederElement-Wasserstoff-VerbindungenderGruppen14bis17. . . . 53
7.10 NahordnunginQuarzglas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.11 AggregatzuständeundÜbergänge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.12 PhasendiagrammvonWasser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.13 AnordnungvonWassermolekülenimEis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.14 AuftragungderDichtevonWassergegendieTemperatur. . . . . . . . . . . . . . 57
vii
Abbildungsverzeichnis
7.15 PhasendiagrammvonKohlenstoffdioxid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8.1 ElementareHalogene:kovalenteRadien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.2 AusschnittausderDNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.3 GasförmigeNa-AtomelagernsichzumKristallzusammen. . . . . . . . . . . . . 66
8.4 Überlappung der Valenzorbitale von zwei Wasserstoffatomen und von einem
Wasserstoff-undeinemChloratom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8.5 DiefreienElektronenpaareamChloratomdürfenindieserDarstellungnichtfehlen. 71
8.6 Überlagerungvonzweis-AtomorbitalenzuzweiMolekülorbitalen. . . . . . . . . 76
8.7 Überlagerungvonzweip-AtomorbitalenzuzweiMolekülorbitalen. . . . . . . . 77
8.8 Überlagerungvonzweip-Atomorbitalenzuzweiπ-Molekülorbitalen. . . . . . . 77
8.9 Molekülorbital-DiagrammdesWasserstoffmoleküls. . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.10 Molekülorbital-DiagrammeineshypothetischenHeliummoleküls. . . . . . . . . 78
8.11 Molekülorbital-DiagrammdesSauerstoffmoleküls. . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.12 MöglicheLewis-FormelndesO -Moleküls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2
8.13 MO-DiagrammvonHF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.14 MO-DiagrammevonLi ,Li ,Li . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2 3 4
8.15 ValenzbandvonmetallischemLi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.16 2s-und2p-BändervonmetallischemBe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.17 VergleichderBändereinesLeiters,HalbleitersundIsolators. . . . . . . . . . . . . 83
10.1 EinKupferstabtauchtineineZinksulfatlösungundumgekehrt. . . . . . . . . . . 115
10.2 Ein Kupferstab taucht in eine Kupfersulfatlösung, ein Zinkstab in eine Zinksul-
fatlösung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
10.3 Wasserstoffelektrode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
viii SkriptAAC-NaWiWS14/15,vorläufigeFassung
Tabellenverzeichnis
1.1 HäufigkeitderElementeinderErdkruste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 HeterogeneGemische. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 MassenundLadungenvonAtombausteinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1 Elektronenkonfigurationenderersten18Elemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
9.1 DissoziationskonstanteneinigerSäurenundBasen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
10.1 Ausschnitt aus der Elektrochemischen Spannungsreihe. Normalpotentiale bei
298,15K. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
A.1 GemesseneSpannungenanoffenliegendenStromleitungen. . . . . . . . . . . . . 126
ix