Grundwissenskatalog Max-Planck-Gymnasium MÄnchen Pasing Stand: September 2009
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- Mittelstufe -
Charakteristisch f�r die Denkweise der Wissenschaft Chemiesind zwei Betrachtungsebenen
Stoffebene: Beobachtungen an Stoffportionen und Reaktionen (Fakten)
Teilchenebene: Deutung der Fakten durch die Vorstellung von der Existenzkleinster Teilchen und Teilchenverb�nde
Stoffebene
BeobachtungsebenePh�nomenebene
Teilchenebene
ModellebeneDeutungsebene
PhÅnomene in der Welt
H2O
1
Hierarchien der Grundwissensbegriffe: Bereich Stoffe
+
+
+
+
- -
--
--
-
Stoffe
Reinstoffe Stoffgemische
Verbindungen ElementeHomogene Gemische Heterogene Gemische
MolekulareStoffe
Salze Metalle Nichtmetalle
MolekÄlgitterz.B. Wasser
Ionengitterz.B. Natriumchlorid
Metallgitterz.B. Magnesium
MolekÄlgitterz.B. Iod
Atomgitterz.B. Edelgase
+
+
+
+
- -
--
--
-
Legierung
LÇsung
Gasgemisch
GemengeFeststoffgemisch
Suspension
Emulsion
Nebel/Schaum
Rauch
2
Metalle
Metalle zeigen typische Eigen-schaften: Glanz Leitf�higkeit f�r W�rme und
Elektrizit�t Verformbarkeit Metall-Atome sind Elektronen-
donatoren
Reinstoff
Reinstoffe haben bei gleichen Bedingungen (Temperatur, Druck) bestimmte qualitative und quantitative Eigenschaften (z.B. Farbe, Geruch, Geschmack, Ag-gregatzustand, Schmelz- und Siedetemperatur, Dichte).
NichtmetalleNichtmetalle sind i. d. R. NichtleiterNichtmetall-Atome sind Elektro-nenakzeptoren
homogenes Gemisch einphasiges, d. h. einheitlich aus-sehendes Gemisch
heterogenes Gemisch mehrphasiges, d. h. uneinheitlich aussehendes Gemisch Verbindung
Eine Verbindung ist ein Reinstoff, der sich in Elemente zerlegen l�sst.
Element: Ein Element l�sst sich nicht weiter zerlegen. Salze
Salze sind Verbindungen, die aus Metallkationen und Nichtmetallan-ionen bestehen.
Grundwissensbegriffe Bereich: Stoffe
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Hierarchien der Grundwissensbegriffe: Bereich Teilchen
Teilchen
Atome MolekÄle Ionen
AtomkernAtomhÄlle/
ElektronenhÄllePolares MolekÄl/
DipolmolekÄlUnpolaresMolekÄl Kationen Anionen
Protonen Neutronen Elektronen
1010
4
Atom
Das Atom ist das kleinste Teil-chen eines Elements.
Die Elektronen bilden die Atom-h�lle, die Protonen und Neutronen den Atomkern.
VerhÄltnisformel
Die Verh�ltnisformel gibt das Zahlenverh�ltnis der Teilchen (Ionen) in der Verbindung an.Beispiele: Cu2S, NaCl,
MolekÅl
Molek�le sind Atomverb�nde, diese bestehen
bei Elementen aus gleich-artigen Atomen
bei Verbindungen aus ver-schiedenartigen Atomen
MolekÅlformel =
Summenformel
Die Molek�lformel gibt an, wie viele Atome jeweils in einem Mo-lek�l vorhanden sind. Beispiel: H2O
IonenIonen sind elektrisch geladene Atome („einfache“ Atomionen) bzw. Molek�le („zusammenge-setzte“ MolekÅlionen).
Kationen positiv geladene Ionen
Anionen negativ geladene Ionen Periodensystem
Im PSE sind alle bekannten Atomarten nach steigender Protonenzahl (=Ordnungszahl) und chemischen Eigenschaften angeordnet.
Gruppen (senkrecht) = Anzahl der Au�en-elektronen
Periode (waagrecht) = Hauptenergiestufe/ Hauptenergieniveau = n
Grundwissensbegriffe Bereich: Teilchen
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Gitter
Die regelm��ige Anordnung von Teilchen in einem Feststoff be-zeichnet man als Gitter.Man unterscheidet: Atomgitter Molek�lgitter Ionengitter Metallgitter
Elementarteilchen
„Bausteine“ der kleinesten Teil-chen (Atome, Ionen).In der Chemie entscheidend sind Protonen, Elektronen und Neut-ronen
Proton
einfach positiv geladenes Elementarteilchen;Vorkommen: im AtomkernAbk�rzung: p+
Elektron
einfach negativ geladenes Ele-mentarteilchen;Vorkommen: in der Atomh�lleAbk�rzung: e–
Neutronen
ungeladenes Elementarteilchen;Vorkommen: im AtomkernAbk�rzung: n (nicht zu verwech-seln mit Hauptenergieniveau!)
Nukleonen
Elementarteilchen, die im Atom-kern vorkommen:
Protonen und Neutronen
Polares MolekÅl
= DipolmolekÅl
Fallen der positive und der nega-tive Ladungsschwerpunkt in ei-nem Molek�l einer Verbindung nicht zusammen, so liegt ein Di-pol-Molek�l vor.Beispiele: Wasserstoffchlorid-, Wasser- und Ammoniak-Molek�l
unpolares MolekÅl
Fallen die Schwerpunkte der po-sitiven und negativen Teil-ladungen eines Molek�ls zusam-men, so liegt ein unpolares Mole-k�l vor.Beispiele: Methan- und Kohlenstofftetrachlorid-Molek�l
Grundwissensbegriffe Bereich: Teilchen
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ElektronegativitÄt EN
Die Elektronegativit�t ist die Ei-genschaft der Atome, Bindungs-elektronen innerhalb einer kova-lenten Bindung zu sich heranzu-ziehen. Die Atombindung ist um-so polarer, je gr��er die Elektro-negativit�tsdifferenz EN ist.
Edelgasregel
= Oktettregel
Atome k�nnen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen in ihren Atomh�llen die gleiche An-zahl und Anordnung von Elektro-nen wie die Edelgas-Atome errei-chen. Man spricht dann von Edelgaskonfiguration.
Valenzschreibweise
Die Valenzschreibweise gibt die Anordnung der Valenzelektronen wieder. Dabei werden die Positio-nen um das Elementsymbol erst einfach, dann doppelt besetzt ( wird zu ).
Valenzstrichformel
Valenzstrichformeln enthalten Stri-che zur Symbolisierung bindender und nicht bindender Elektronenpaa-re.
Beispiel:
H HO
Grundwissensbegriffe Bereich: Teilchen
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Hierarchien der Grundwissensbegriffe: Bereich Reaktionen
Chemische Reaktion
Analyse Umsetzung Synthese
Bei Salzen Bei MolekÄlen
Elektrolyse Homolyse Heterolyse Protolyse Redoxreak-tionen Ionenbildung MolekÄl
-bildung
Oxidation Reduktion
Reduktions-mittel
Oxidations-mittelBaseSÅure
Saure LÇsungbasischeLÇsung
10 10
1010
10 1010 10
1010
1010
8
Chemische Reaktion:
Kennzeichen: Stoff�nderung: Produkte zeigen
andere Eigenschaften als Edukte z.B. Farbe, Siedepunkt
Energieumsatz: Es muss ent-weder Energie zugef�hrt wer-den, um die Reaktion zu star-ten oder in Gang zu halten oder es wird Energie abgegeben/frei
AnalyseBei der Analyse entstehen aus einem Edukt zwei oder mehrere Produkte (Zerlegung).
SyntheseBei der Synthese entsteht aus zwei oder mehr Edukten ein Pro-dukt (das dann eine Verbindung darstellt).
Umsetzung
(Umlagerung)
Die Umsetzung ist eine Kopp-lung von Analyse und Synthese, d. h. bei der Umsetzung entste-hen aus zwei oder mehr Edukten zwei oder mehr Produkte.
Elektrolyse
Die Elektrolyse ist ein Vorgang, der bei Stromzufuhr abl�uft.Die positiv geladenen Ionen (Katio-nen) werden an der Kathode durch Aufnahme von Elektronen entladen.Die negativ geladenen Ionen (Anio-nen) werden an der Anode durch Abgabe von Elektronen entladen.
Reaktionsgleichung
Die Reaktionsgleichung gibt an, welche Teilchen in welchem kleinstm�glichen Teilchenanzahl-verh�ltnis miteinander reagieren bzw. entstehen. .
HomolyseGleichwertige (mittige) Spaltung einer Atombindung unter Entste-hung von Radikalen.
HeterolyseUngleiche Spaltung einer Atom-bindung unter Entstehung von Ionen.
Grundwissensbegriffe Bereich: Reaktionen
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Radikale Teilchen mit ungepaarten (sog. freien) Elektronen Oxidation Die Oxidation ist die Elektronen-
abgabe von Teilchen.
Reduktion Die Reduktion ist die Elektronen-aufnahme von Teilchen. Redoxreaktion
Die Redoxreaktion ist der Elekt-ronen�bergang zwischen Teil-chen.
OxidationsmittelOxidationsmittel sind Elektronen-akzeptoren, z.B. Nichtmetalle-Atome.
ReduktionsmittelReduktionsmittel sind Elektro-nendonatoren, z.B. Metall-Atome.
Oxidationszahl
= Die Anzahl wirklicher bzw. ange-nommener Ladungen von Teilchen
(Sie ergibt sich, wenn man sich das vorliegende Teilchen nur aus „Atom-Ionen“ aufgebaut denkt, wobei man in einem Molek�l die Bindungselektro-nen dem jeweils elektronegativeren Partner zu-schl�gt.)
Erh�hung der Oxidationszahl: Oxidation Erniedrigung der Oxidationszahl: Reduktion.
Grundwissensbegriffe Bereich: Reaktionen
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Protolyse
S�ure-Base-Reaktionen oder Protolysen sind Protonen�ber-g�nge zwischen S�uren und Basen.
NeutralisationDie Protolyse zwischen Oxonium-Ionen und Hydroxid-Ionen nennt man Neutralisation.
(BrÇnsted)-SÄure
S�uren sind Teilchen, die Protonen abgeben: Protonendonatoren
Beispiel: Wasserstoffchlorid-Molek�l
(BrÇnsted)- Base
Basen sind Teilchen, die Protonen aufnehmen: Protonenakzeptoren
Beispiel: Ammoniak-Molek�l, Oxid-Ion
Saure LÇsungSaure L�sungen sind L�sungen, die Oxonium-Ionen enthalten. n(H3O+) > n(OH-)
basische LÇsung= alkalische LÇsung
(= Lauge)
Basische L�sungen sind L�sun-gen, die Hydroxid-Ionen enthal-ten.
Beispiele: Ammoniak-Wasser, Natronlauge; n(H3O+) < n(OH-)
Neutrale LÇsung
Bei einer neutralen L�sung sind die Stoffmengen der Oxonium-und der Hydroxid-Ionen gleich: n (H3O+) = n (OH-).
Ampholyt
Ampholyte sind Teilchen, die so-wohl als S�ure als auch als Base fungieren k�nnen.
Beispiel: Wasser-Molek�l
Grundwissensbegriffe Bereich: ReaktionenWichtige Begriffe aus den Bereichen: Reaktionen
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Hierarchien der Grundwissensbegriffe: Bereich Wechselwirkungen zwischen Teilchen(chemische Bindung)
Wechselwirkung zwischen den Teil-chen und innerhalb
der Teilchen
Starke Wechselwirkungen = chem. Bindung i. e. S.
Schwache Wechselwir-kungen
Ionenbindung Metallbindung Atombindung/kovalente Bindung
zwischenmoleku-lare KrÅfte
(Dipol-Dipol-WW)
Ion-Dipol-WW
Polare Atombin-dung
Unpolare Atom-bindung
Van-der-Waals-KrÅfte
WasserstoffbrÄ-ckenbindung
10 10
10
10 10
10 10
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Ionenbindung
Die chemische Bindung, die in Salzen als Anziehungskraft zwi-schen Kationen und Anionen wirkt, wird Ionenbindung ge-nannt.
Metallische Bindung
Die chemische Bindung, die in den Metallen zwischen positiv geladenen Metall-Atomr�mpfen und dem Elektronengas wirkt, wird als metallische Bindung be-zeichnet.
Atombindung /
Elektronenpaarbindung
(Kovalente Bindung)
Die Atombindung ist gleichbedeutend mit der Ausbildung eines gemeinsamen Elekt-ronenpaares und wird daher auch als Elekt-ronenpaarbindung bezeichnet.In einer Einfachbindung liegt ein Bindungs-elektronenpaar vor. In einer Doppelbindung liegen zwei und in einer Dreifachbindung liegen drei Bindungselektronenpaare vor.
BindigkeitDie Anzahl der Elektronen-paarbindungen, die ein Atom in einem Molek�l oder Molek�l-Ion ausbildet, ist seine Bindigkeit.
Polare Atombindung
Man nennt eine Elektronen-paarbindung, bei der das Bin-dungselektronenpaar zu einem der beiden gebundenen Atome hin verschoben ist, polare Atom-bindung.
Van-der-Waals-KrÄfte
Van-der-Waals-Kr�fte sind sehr schwache intermolekulare An-ziehungskr�fte. Sie entstehen bei unpolaren Molek�len zwischen induzierten Dipolen.
WasserstoffbrÅcken-
bindung
Wasserstoffbr�ckenbindungen sind intermolekulare Bindungen, die zwi-schen dem stark positiv polarisierten Wasserstoffatom eines Molek�ls und einem stark negativ polarisiertem Atom eines zweiten Molek�ls zustande kom-men.
HydratationDie Hydratation ist die Anlage-rung von Wasser-Molek�len um die Teilchen des im Wasser ge-l�sten Stoffes.
Grundwissensbegriffe Bereich: Wechselwirkungen
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AktivierungsenergieDie zur Ausl�sung einer chemi-schen Reaktion erforderliche Energie nennt man Aktivierungs-energie.
KatalysatorEin Katalysator ist ein Stoff, der die Aktivierungsenergie einer Reaktion herabsetzt.
Exotherm
Wird bei einem Vorgang W�rme abgegeben, so bezeichnet man ihn als exotherm.Der Energiegehalt des Systems nimmt ab, weshalb der Betrag ein negatives Vorzeichen erh�lt.
endotherm
Wird bei einem Vorgang W�rme zugef�hrt, so bezeichnet man ihn als endotherm.Der Energiegehalt des Systems nimmt zu, weshalb der Betrag ein positives Vorzeichen erh�lt.
Energiediagramm einer exothermen Reaktion Energiediagramm einer
endothermen Reaktion
Grundwissensbegriffe Bereich: EnergieReaktionsverlauf
Magnesium + Kohlenstoffdioxid
Magnesiumoxid +Kohlenstoff
aktivierter Zustand
Reaktionsenergie, die hier in Form von WÄrme abgegeben wird
EA>0 AktivierungsenergieEnergiedifferenz zwischen aktiviertemZustand und Edukten ; die reaktions-trÄgen Edukte mÅssen aktiviert werden
<0 Energiedifferenz zwischen Ed. und Prod.
Exotherme Reaktion
inne
re E
nerg
ie E
i
Energieniveau der Edukte
Energieniveau der Produkte
Energieniveau des aktivierten Zustandes
Reaktionsverlauf
Bleioxid + Kohlenstoff
Blei + Kohlenstoff(di)oxid
aktivierter Zustand
Reaktionsenergie, die hier in Form von WÄrme stÄndig aufgenommen wird
EA>0 AktivierungsenergieEnergiedifferenz zwischen aktiviertemZustand und Edukten ; die reaktions-trÄgen Edukte mÅssen aktiviert werden
0 Energiedifferenz zwischen Ed. und Prod.
Endotherme Reaktion
inne
re E
nerg
ie E
i
Energieniveau der Edukte
Energieniveau der Produkte
Energieniveau des aktivierten Zustandes
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Hierarchien der Grundwissensbegriffe: Bereich Gr��en
GrÇÉen
UmrechnungsgrÇÉen QuantitÅtsgrÇÉen GehaltsgrÇÉen
Molare Masse M
Molares Volumen Vm
Avogadro-Konstante NA Masse m
Volumen V
Teilchenanzahl N
Stoffmenge n
Stoffmengenkonzentration c
10
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Teilchenmasse
(Atom-, MolekÅl-, Ionen-masse)
Die Masse eines Teilchens (Atom, Molek�l, Ion) kann in der Einheit Gramm oder in der ato-maren Masseneinheit u angege-ben werden.
Teilchenanzahl NDie Teilchenanzahl N gibt die Anzahl der Teilchen (Atome, Mo-lek�le, Ionen) in einer Stoffporti-on an.
Stoffmenge n
= Gr��e, mit der die Teilchenzahl einer Stoffportion beschrieben wird.
Einheit [n] = mol
Eine Stoffportion der Stoffmenge 1mol enth�lt immer 6,022x1023 Teil-chen.
Mol
1 Mol (Zeichen 1 mol) ist die Stoffmenge einer Stoffportion, die aus genau 6,022 x 1023 Teil-chen (Atome, Molek�le, Ionen) besteht.
Molare Masse M
Die molare Masse ist der Quotient aus der Masse einer Stoffportion und der zugeh�ri-gen Stoffmenge:
)()(
)(XnXmXM ;
molg
M 1
Die molare Masse ist abh�ngig von der Stoffart.Der Zahlenwert der Teilchenmasse ist gleich dem Zahlenwert der molaren Masse.
Avogadro-Konstante NA
Die Avogadro-Konstante hat f�r alle Stoffe den gleichen Wert:
molN A
110022,6 23
Molares Volumen Vm
Das molare Volumen ist der Quotient aus dem Volumen einer Stoffportion und der zugeh�rigen Stoffmenge:
;)()(
)(XnXVXVm
moll
Vm 1][
F�r Gase betr�gt das molare Volumen
mollVM 4,22
Stoffmengenkonzentration c
Die Stoffmengenkonzentration c(X) eines gel�sten Stoffe X ist der Quotient aus der Stoffmenge n(X) und dem Volumen der L�-sung V(Ls):
)()(
)(LsVXnXc ; [c] = 1 mol/l
Grundwissensbegriffe Bereich: GrÇÉen
Energieverlaufsdiagramme
Reaktionsverlauf
Magnesium + Kohlenstoffdioxid
Magnesiumoxid +Kohlenstoff
aktivierter Zustand
Reaktionsenergie, die hier in Form von WÄrme abgegeben wird
EA>0 AktivierungsenergieEnergiedifferenz zwischen aktiviertemZustand und Edukten ; die reaktions-trÄgen Edukte mÅssen aktiviert werden
<0 Energiedifferenz zwischen Ed. und Prod.
Exotherme Reaktion
inne
re E
nerg
ie E
i
Energieniveau der Edukte
Energieniveau der Produkte
Energieniveau des aktivierten Zustandes
Reaktionsverlauf
Wasserstoffperoxid
Sauerstoff +Wasser
aktivierter Zustand
Reaktionsenergie, die hier in Form von WÄrme abgegeben wird
EA>0 AktivierungsenergieEnergiedifferenz zwischen aktiviertemZustand und Edukten ; die reaktions-trÄgen Edukte mÅssen aktiviert werden
<0 Energiedifferenz zwischen Ed. und Prod.
Exotherme Reaktion/ Katalyse
inne
re E
nerg
ie E
i
Energieverlauf der katalysierten Reaktion
Reaktionsverlauf
Bleioxid + Kohlenstoff
Blei + Kohlenstoff(di)oxid
aktivierter Zustand
Reaktionsenergie, die hier in Form von WÄrme stÄndig aufgenommen wird
EA>0 AktivierungsenergieEnergiedifferenz zwischen aktiviertemZustand und Edukten ; die reaktions-trÄgen Edukte mÅssen aktiviert werden
0 Energiedifferenz zwischen Ed. und Prod.
Endotherme Reaktion
inne
re E
nerg
ie E
i
Energieniveau der Edukte
Energieniveau der Produkte
Energieniveau des aktivierten Zustandes
