Einführung in die Chemie

Lehrbücher: Atkins/Jones (Chemical principles:The quest for insight)¨Mortimer/Müller (Chemie)Riedel (Allg. und Anorg. Chemie)Dickerson/Gray/Haight (Prinzipien der Chemie)Huheey (Anorg. Chemie)

http://www.chemie.unibas.ch/~meier/einfuehrung.html

Weiterführend:Greenwood/Earnshaw (Chemie der Elemente)Hollemann/Wiberg (Lehrbuch der Anorg. Chemie)

Allgemeine Informationen

4 Stunden Vorlesung müssen alle besuchen.(MO, DI 10-12 ausser in der ersten Semesterwoche)

2 Stunden Vertiefung/ Uebungen (je MI 10-12, sind getrennt nach Studienrichtung):

a) Chemiker, Nanowissenschaftler; grosser Hörsaal PC

b) Pharmazeuten; grosser Hörsaal OC

c) Biologen, Informatiker Geowissenschaftler; Hörsaal Anatomie

Physik Nanowissenschaften

Biologie Pharmazie

MedizinGeo-/Umweltwissenschaften

Einführung in die Chemie

• Historische Entwicklung• Eigenschaften und Zusammensetzung der Materie• Chemische Symbole• Das Periodensystem der Elemente• Atome, Verbindungen, Moleküle• Chemische Nomenklatur• Chemische Reaktionen• Redox-Reaktionen• Reaktionen und Enthalpie• Struktur von Atomen und das Periodensystem• Periodizität der physikalischen Eigenschaften • Die chemische Bindung• Gestalt von Molekülen• Eigenschaften von Gasen• Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen• Katalyse• Das chemische Gleichgewicht• Säuren und Basen• Löslichkeit• Thermodynamik und Gleichgewicht (Die Hauptsätze der Thermodynamik)• Zwischenmolekulare Wechselwirkungen• Charakteristische Eigenschaften von Flüssigkeiten und Festkörpern

Historische Entwicklung

600 B.C. 300 B.C. 1650 A.C.1790 B.C.

•Töpferei, KochenBacken, Brauwesen...•`trial and error`•Keine theoretischen Konzepte

•Griechische Philosophen•Zusammensetzung der Materie (Feuer, Wasser, Luft, Erde)•Atome(Leukipp, Demokrit)

•Alchemie•Experimente als Nachweis von Theorien•Der Stein der Weisen•Sammlung chemischer Daten

Phlogiston (z.B., Holz = Asche + Phlogiston)

Moderne Chemie (Lavoisier)

•Organische Chemie•Anorganische Chemie•Analytische Chemie•Physikalische Chemie•Biochemie•Makromoleculare Chemie...

Die Eigenschaften der MaterieMaterie

Mischungen Substanzen

Verbindungen Elemente

Physikalische Methoden

chemische Methoden

KristallisationFällungFiltrationDestillationChromatographie

Der physikalische Zustand der Materie

fest

flüssig gasförmig

schmelzen

erstarren

verdampfen

kondensieren

sublimieren

kondensieren

MasseinheitenQuantitative Beobachtungen basieren auf Messungen und numerischer Information

MasseVolumen

TemperaturChemie

SI-Einheiten:

Masse m Kilogramm kgLänge l Meter mZeit t Sekunde sTemperatur T Kelvin KSubstanzmenge n Mol molElektrischer Strom I Ampère ALichtintensität Iv Candela cd

Abgeleitete Einheiten

Volumen V = Länge*Weite*Höhe m3

Dichte r = Masse/Volumen g/cm3

Konzentration c = Substanzmenge/Volumen mol/L

Extensive Grössen abhängig von Probengrösse

Intensive Grössen unabhängig von Probengrösse

Masse? Temperatur? Volumen? Dichte?

†

w(X) =m(X)

m(Lösung)

†

x(A) =n(A)

n(A) + n(B) + n(C) + ...

†

c(X) =n(X)

VLösung

†

b(X) =n(X)

mLösungsmittel

†

b(X) =m(X)VLösung

†

d(X) =V (X)VLösung

†

j(A) =V (A)

V (A) + V (B) + V (C) + ...Volumenanteil(Volumenbruch)

Volumenkonzentration

Massenkonzentration

Molalität

Stoffmengenkonzentration

(vgl. Molarität, Normalität)

Stoffmengenanteil(Molenbruch)

Massenanteil

Konzentration von Lösungen

Die Zusammensetzung derMaterie

Atom kleinstes Teilchen eines Elements, das die chemischen Eigenschaften dieses Elements aufweist.

Element Substanz aus Atomen mit den gleichen chemischenEigenschaften

Elementeca. 110 Elemente wurden bislang identifiziert

Namen und Symbole der Elemente

Altertum Kupfer ZypernGold ´gelb´ (a.d. engl.)

Charakteristika Chlor gelb-grünBrom Gestank

Personen/Orte BerkeliumEinsteiniumCurium

Chemische SymboleAbkürzung der Namen der Elemente

Häufig die ersten oder ersten beiden Buchstaben des Namens des Elements (in Englisch, Deutsch, Latein, Griechisch, ohne generelle Regel!)

Wasserstoff (Hydrogenium) HKohlenstoff (Carbonium) CStickstoff (Nitrogenium) NSauerstoff (Oxygenium) OHelium HeAluminium AlNickel NiSilizium SiMagnesium MgZink ZnChlor Cl

Das Periodensystem derElemente (PSE)

• spezielle Anordnung der Symbole der Elemente• räumliche Anordnung eines Elements in PSE gibt Hinweise auf seine Eigenschaften

Gruppen vertikale Spalten

Perioden horizontale Reihen

(Elektronische Struktur der Atome)

(chemische Verwandtschaft)

H He

Lanthanide

Actinide

Alk

alim

etal

le

Erd

alka

limet

alle

Hal

ogen

e

Ede

lgas

e1234567

I II III IV V VI VII VIII

Uebergangsmetalle

1234567

I II III IV V VI VII VIII

BAl

Ga

CSi

Ge

Sn

P

As

Sb

Bi

Se

Te

Po

I

At Rn

Metalle

NichtmetalleMetalloide

AtomeJohn Dalton (1805) Atomtheorie

•Elemente bestehen aus Atomen•Alle Atome eines Elements sind gleich•Atome verschiedener Elemente haben verschiedene Masse•Eine chemische Verbindung ist eine spezifische Kombination (festes Mengen- verhältnis) verschiedener Atome•Bei chemischen Reaktionen können keine Atome zerstört, neu gebildet oder umgewandelt werden

Atome bestehen aus Protonen, Elektronen und Neutronen!

TeilchenElektronProton

Neutron

Symbole-

pn

Ladung*

-1+10

Masse, g9.109*10-28

1.673*10-24

1.675*10-24

Masse, u0.000551.00781.0087

*: Vielfache von 1.602*10-19 C = Elementarladung

Das Rutherford Modell:

Kern (Protonen + Neutronen)

Elektronen

Zahl der Protonen im Atomkern: Ordnungszahl z

Periodensystem?

Isotope

Isotope: gleiche Ordnungszahl aber verschiedene atomare Masse!

Atomkerne eines gegebenen Elements haben eine fixe Anzahl von Protonen !

Variable Zahl an Neutronen!

Massenzahl A Gesamtzahl der Nukleonen (Protonen + Neutronen)

SymbolAZ

Gängige Isotope

Name

WasserstoffDeuterium

TritiumKohlenstoff-12Kohlenstoff-13Sauerstoff-16

Ordnungs-zahl

111668

Massen-zahl

123

121316.

Zahl Neutronen

012678

Masse, u

1.0082.0143.016

1213.00315.995

Häufigkeit

99.985%0.015%

*98.90%1.10%

99.76%

Symbol

1H2H oder D3H oder T

12C13C16O

*: radioaktiv, kurzlebig

Atommasseneinheit, u: 1/12 der Masse von C-12!

Mol und Molmasse1 g einer Substanz besteht aus ca. 1023 Atomen!

1 mol = Anzahl der Atome in 12 g Kohlenstoff C-12= 6.023 * 1023

Avogadro-Zahl NA = 6.023 * 1023

1 mol = 6.023*1023 Teilchen

Molmasse

Masse pro Mol Atome eines Elements

(entspricht der durchschnittlichen Massenzahl in Atommasseneinheiten)

Molmasse von Gold?Masse von 2 mol Natrium?

VerbindungenDefinitionen: Eine Verbindung ist ein Stoff, der aus verschieden-

en Elementen in definierter Zusammensetzung auf-gebaut ist.

Ein Molekül ist ein Teilchen, in dem zwei oder mehr Atome fest miteinander verknüpft sind; bei chemi-schen und physikalischen Prozessen verhalten sich Moleküle als Einheit.

Ein Ion ist ein Atom oder Molekül, das eine elektrische Ladung trägt.

MoleküleWasser 1 O + 2H

Methan 1C + 4H

Empirische Formel: H2O, CH4, P2O5,...

Glucose empirische Formel: CH2O

Aber tatsächliche Zahl an Atomen: 6 C + 12 H + 6 O

Molekularformel: C6H12O6

Ionen und IonischeVerbindungen

Ionische Verbindungen sind aus Kationen und Anionen aufgebaut,die durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten werden.

Kationen

Gruppe ILi+

Na+

K+

Rb+

Cs+

Gruppe IIBe2+

Ca2+

Sr2+

Ba2+

Ra2+

Uebergangsmetalle

Fe2+, Fe3+ Cu+, Cu2+ Zn2+

Ag+ Cd2+

Au+, Au3+ Hg22+, Hg2+

Gruppe III

Al3+

Ga3+

In+

Tl+, Tl3+

Gruppe IV

Sn2+, Sn4+

Pb2+, Pb4+

Metalle!

Ein- und zweiatomige Anionen

Gruppe VNitrid N3-

Phosphid P3-

Cyanid CN-

Gruppe VIOxid O2-

Sulfid S2-

Hydroxid OH-

Gruppe VIIFluorid F-

Chlorid Cl-

Bromid Br-

Iodid I-

Mehratomige Ionen

• NH4+

• Oxoanionen: Carbonat CO32-,

Nitrat NO3-,

Nitrit NO2-,

Sulfat SO42-

NomenklaturTrivialname systematischer Name

Kationen

Anhängen der Silbe ion an den Namen des Elements

Na+ NatriumionCa2+ CalciumionFe2+ Eisen(II)ionFe3+ Eisen(III)ionMn2+ Mangan(II)ionMn3+ Mangan(III)ion

Anionen

Endung -id am Stamm des Elementnamens

ElementFluor

OxygeniumNitrogenium

StammFluor-Ox-Nitr-

IonFluoridion F-

Oxidion O2-

Nitridion N3-

Oxoanionen

Endung -at am Stamm des Elements, das nicht Sauerstoff ist

CO32- Carbonat

SO42- Sulfat

HPO42- Hydrogenphosphat

Oxoanionen mit unterschiedlichen Anteilen an Sauerstoff

ClO4- Perchlorat

ClO3- Chlorat

ClO2- Chlorit

ClO- HypochloritCl- Chlorid

Benennung ionischer Verbindungen

Beispiele: - Natriumchlorid- Ammoniumnitrat- Kupfer(II)chlorid- Aluminiumoxid

Molekularformeln??

Molekulare Verbindungen werden behandelt, als ob sie ionisch wären

HCl WasserstoffchloridH2S DiwasserstoffsulfidPCl3 PhosphortrichloridSF6 SchwefelhexafluoridN2O DistickstoffmonoxidN2O5 DistickstoffpentoxidClO2 Chlordioxid

Trivialnamen

H2O WasserH2O2 WasserstoffperoxidNH3 AmmoniakN2H4 HydrazinNH2OH HydroxylaminPH3 PhosphinNO StickoxidN2O Lachgas

Chemische ReaktionenChemische Reaktionsgleichungen

Reaktanden (Edukte) Produkte

Beispiele:

Wasserstoff + Sauerstoff Wasser

2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)

Calciumcarbonat Calciumoxid + Kohlendioxid

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)

800°C

D

Stöch

iom

etris

che

Fakt

oren

s: solidus l:liquidus g: gas

Klassifizierung von Reaktionen

•Synthese Bildung einer Verbindung aus einfacheren Edukten2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)

•Zersetzung Bildung einfacherer Substanzen aus einem EduktCaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)

•Doppelte Umsetzung ‚Partnertausch‘2NaCl(aq) + Pb(NO3)2(aq) 2NaNO3(aq) + PbCl2(s)

•Verbrennung Reaktion mit Sauerstoff zu CO2, H2O, N2 und OxidenCH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g)

•Korrosion Reaktion eines Metalls mit Sauerstoff zum Metalloxid4Fe(s) + 3O2(g) 2Fe2O3(s)

Classification of reactions

•Gasentwicklung Bildung von GasCaCO3(s) + 2HCl(aq) CaCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g)

•Fällung Bildung eines Niederschlags3CaCl2(aq) + 2Na3PO4(aq) Ca3(PO4)2(s) + 6NaCl(aq)

•Neutralisation Reaktion zwischen Säure und BaseHCl(aq) + NaOH(aq) NaCl(aq) + H2O(l)

•Redoxreaktion Elektronentransfer2Mg(s) + O2(g) 2MgO(s)

Klassifizierung von Reaktionen

Ausgleichen vonReaktionsgleichungen

Die Zahl der Atome bleibt während einer chemischen Reaktion konstant!

Auf beiden Seiten der Reaktionsgleichung muss die gleiche Anzahl von Atomen stehen!

Vorgehensweise

‚Stamm‘-Gleichung:CH4 + O2 CO2 + H2O

Zunächst die Elemente ausgleichen, die am seltensten auftreten

C, H!

CH4 + O2 CO2 + 2H2O

O ausgleichen!

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

Physikalischen Zustand zuordnen

CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g)

Redox-Reaktionen´Transfer von Elektronen´

Beispiele:

CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g)

2Mg(s) + O2(g) 2MgO(s)

Zn(s) + HCl(aq) ZnCl2(aq) + H2(g)

Fe2O3(s) + 3CO(g) 2Fe(l) + 3CO2(g)

Element

H2

Cu

P

Fe

Na

K

Si

Al

Ti

Quelle

H2O

CuS

PO43-

Fe2O3

NaCl

KCl

SiO2

Al2O3

TiCl4

Prozess

Synthesegas ReaktionCH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g)

KupferverhüttungCuS(s) + O2(g) Cu(s) + SO2(g)

2Ca3(PO4)2(l) + 6SiO2(l) + 10C(s) P4(g) +6CaSiO3(l) + 10 CO(g)

Hochofen-ProzessFe2O3(s) + 3 CO(g) 2Fe(l) + 3CO2(g)

Downs-Prozess2NaCl(l) 2Na(l) +Cl2(g)

KCl(l) + Na(g) K(l) +NaCl(s)

SiO2(l) + 2C(s) Si(l)+ 2CO(g)

Hall-Prozess2Al2O3(l) + 3C(s) 4Al(l) +3CO2(g)

Kroll-ProzessTiCl4(g) + 2Mg(l) Ti(s) + 2MgCl2(l)

Elemente durch Reduktion

800°C, Ni

1500°C

900°C

Elektrolyse, 600°C

700°C

1500°C

Elektrolyse, 900°C

1000°C

Elemente durch Oxidation

Element

S

Cl2

Br2, I2

F2

Au

Quelle

H2S

NaCl

Br-, I-

F-

Au

Prozess

Claus-Prozess2H2S(g) + 3O2(g) 2SO2(g) +2H2O(g)2H2S(g) + SO2(g) 3S(g) + 2H2O(g)

Downs Prozess (wie für Na)

Cl2(g) + 2Br-(aq) 2Cl-(aq) + Br2(aq)

Moissan‘sche MethodeHF(mit etwas KF) F2(g) +H2(g)

Cyanid-Prozess4Au(s) + 8CN-(aq) + O2(g) +2H2O(l) 2[Au(CN)2]

-(aq) + 4H2O2[Au(CN)2]

-(aq) + Zn(s) 2Au(s) +Zn2+(aq) + 4CN-(aq)

300°C, Fe2O3

Elektrolyse, 100°C

Redox-Reaktionen: Oxidation von Mg

Elektronentransfer

2Mg(s) + O2(g) 2Mg2+(s) + O2-(s)

2*2e-

MgO(s)

Oxidation: Abgabe von Elektronen!

Teilgleichung: Mg(s) Mg2+(s) + 2e-

Reduktion: Aufnahme von Elektronen!

Teilgleichung: O2(g) + 4e- 2O2-(s)

Oxidationszahlen

Wie kann man beurteilen, ob eine Substanz bei einer Reaktion reduziert oder oxidiert wird?

Aenderung der Ladung!

Beispiel: Fe2+ Fe3+

Br Br-

aber 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l) ???

Oxidationszahl Nox

2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)0 +1

0 -2

Regeln zur Ermittlung von Oxidationszahlen

1. Die Summe der Oxidationszahlen aller Atome eines Moleküls /Ions entspricht dessen Gesamtladung2. Atome in elementarer Form. Nox = 03. Für Elemente Gruppe I Nox = +1

Gruppe II Nox= +2Gruppe III (ausser B) Nox = +3 für M3+

Nox= +1 für M+

Gruppe IV (ausser C, Si) Nox= +4 für M4+

Nox= +2 für M2+

4. Wasserstoff Nox= +1 in Verbindungen mit NichtmetallenNox = -1 in Verbindung mit Metallen

5. Fluor Nox= -1 in allen Verbindungen6. Sauerstoff Nox= -2 ausser in Verbindungen mit F

Nox= -1 in Peroxiden (O22-)

Nox= -1/2 in Superoxiden (O2-)

Nox= -1/3 in Ozoniden (O3-)

Redoxreaktionen

Die chemische Gleichung einer Redoxreaktion ist die Summe aus der Oxidtions- und der Reduktionsteilgleichung in die der Gesamtprozess formal zerlegt werden kann!

Oxidationsmittel entziehen Elektronen und werden reduziert!Reduktionsmittel liefern Elektronen und werden oxidiert

Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s)

Was ist was?

Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s)

Aber: Kupfer kann nicht Zn2+ reduzieren!!

Spannungsreihe

Tabellarische Anordnung der Metalle, so dass ein gegebenes Metall alle Kationen der Metalle weiter unten in der Liste redu-zieren kann

Hilfreich:

Richtung der Reaktion

Die Spannungsreihe der Metalle

ElementAm stärksten reduzierend

KaliumNatriumMagnesiumChromZinkEisenNickelZinnBlei(Wasserstoff)KupferQuecksilberSilberPlatinGoldAm wenigsten reduzierend

Reduzierte Form

KNaMgCrZnFeNiSnPbH2

CuHgAgPtAu

Oxidierte Form

K+

Na+

Mg2+

Cr2+

Zn2+

Fe2+

Ni2+

Sn2+

Pb2+

H+

Cu2+

Hg22+

Ag+

Pt2+

Au+

Ausgleichen von Redoxreaktionen mit Hilfe von Teilgleichungen

Beispiel:Oxidation von Oxalsäure durch Permanganat in saurer Lösung

‚Preview‘ der Reaktionsgleichung

2MnO4-(aq) + 6H+(aq) + 5H2C2O4(aq) 2Mn2+(aq) + 10CO2(g) + 8H2O(l)

Oxidierte und reduzierte Spezies in der Stammgleichung?

MnO4-(aq) + H2C2O4(aq) Mn2+(aq) + CO2(g)

+7 +2

+3 +4

Vorgehensweise

1. Formuliere die Stammgleichungen der beiden Teilgleichungen

Reduktionsteilgleichung: MnO4- Mn2+

Oxidationsteilgleichung: H2C2O4 CO2

2. Gleiche alle Elemente der Teilgleichungen ausser O, H und der Ladung aus

Reduktionsteilgleichung: MnO4- Mn2+

Oxidationsteilgleichung: H2C2O4 2CO2

3. Gleiche H und O aus. Bei Oxoanionen in saurer Lösung durch Zugabe von H+ und H2O; In alkalischem Medium durch Zugabe von OH- und H2O

a. Ausgleichen von O mit H2O:

Reduktionsteilgleichung: MnO4- Mn2+ + 4H2O

Oxidationsteilgleichung : H2C2O4 2CO2

b. Zugabe von H+, zum Ausgleichen der H Atome

Reduktionsteilgleichung: MnO4- + 8H+ Mn2+ + 4H2O

Oxidationsteilgleichung : H2C2O4 2CO2 + 2H+

4. Ausgleichen der elektrischen Ladungen durch e-

Red: MnO4- + 8H+ + 5e- Mn2+ + 4H2O

Ox: H2C2O4 2CO2 + 2H+ + 2e-

5. Vorbereitung der Teilgleichungen zur Addition (identische Zahl an Elektronen) (i.e., multipliziere Red mit 2 und Ox mit 5)

Red: 2MnO4- + 16H+ + 10e- 2Mn2+ + 8H2O

Ox: 5H2C2O4 10CO2 + 10H+ + 10e-

6. Kombination der Teilgleichungen

a. Addition

2MnO4- + 16H+ + 10e- + 5H2C2O4 2Mn2+ + 8H2O + 10CO2 + 10H+ + 10e-

b. Vereinfachung

2MnO4- + 16H+ + 10e- + 5H2C2O4 2Mn2+ + 8H2O + 10CO2 + 10H+ + 10e-

2MnO4- + 6H+ + 5H2C2O4 2Mn2+ + 8H2O + 10CO2

c. Angabe des phys. Zustandes

2MnO4-(aq) + 6H+ (aq)+ 5H2C2O4(aq) 2Mn2+(aq) + 8H2O(l) + 10CO2(aq)

Elektrochemische Zellen

Bsp:

Redoxreaktion:

Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s)

Halbreaktionen: Zn(s) Zn2+(aq) + 2e-

Cu2+(aq) + 2e- Cu(s)

Räumliche Trennung:

R

CuZn

ZnSO4

CuSO4

poröses Gefäss

Das Daniell Element

Zellen und Zelldiagramme

Kathode: ReduktionAnode: Oxidation

Zelldiagramm

Zn(s) | Zn2+(aq) || Cu2+(aq) | Cu(s)

Anode Salzbrücke Kathode (Merke: Rechts Reduktion)

Das Potential einer Zelle

‚Kraft mit der die Zelle Elektronen zu bewegen versucht‘

Zellpotential E > 0 (elektromotorische Kraft)

Typische Werte ≈ 1.5 V (z.B. Daniell Element: 1.1 V)

Welche Energie wird umgesetzt, wenn die Ladung 1C von einer Elektrode zur anderen fliesst?

Primärzellen

Bsp: Das Leclanché Element

Zn (s) Zn2+(aq) + 2e-

Zn2+ (aq) + 2NH4+(aq) + 2OH-(aq) [Zn(NH3)2]2+(aq) + 2 H2O

MnO2(s) + H2O(l) + e- MnO(OH) (s) + OH-(aq)

Sekundärzellen

Bsp: Bleiakkumulator

Alle beteiligten Substanzen müssen unlöslich sein!(Elektroden müssen beim Entladen/Laden Form behalten)

Pb(s) + SO42-(aq) PbSO4(s) + 2e-

PbO2(s) + SO42-(aq) + 4 H3O+(aq) + 2e- PbSO4(s) + 6H2O(l)

________________________________________________________________________________

Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) 2PbSO4(s) + 2H2O(l)

Brennstoffzellen

Kontinuierliche Zufuhr elektrochemisch aktiver Stoffe

H2(g) 2H+(aq) + 2e-

O2(g) + 2H2O(l) + 4e- 4OH-(aq)

PEM: proton exchange membrane

Der Zitteraal: ‚Schwimmende‘ Brennstoffzelle

Spannungspulse bis ca. 700 V (1A, 100W) durch Hintereinanderschaltung von Zellen!

Elektrolyse

Betreiben chemischer Reaktionen mit Hilfe von Elektrizität

Unterschied zur elektrochemischen Zelle

- nur ein Elektrolyt- beide Elektroden im selben Behälter- Elektrolysezelle ist i.a. weit ab vom Standardzustand

Strom wird benützt um eine Reaktion in eine Richtung zu treiben,die der spontanen Reaktion entgegengesetzt ist!

Kathode

+ -Anode

Kationen

Oxidation Reduktion

Stromquelle

Schema einer Elektrolysezelle

Beispiel:

K: Cu2+ + 2e- CuA: Cu Cu2+ +2e-

Bsp: Elektrolyse von Wasser

2H2O(l) 2H2(g) + O2(g)

Umkehrung der Zellreaktion

Pt | H2(g) || OH-(aq) | O2(g) | Pt E = 1.23V (pH=7)

Anlegen von U > 1.23V

Wieviel Substanz kann mit einer gegebenen Elektrizitätsmenge elektrolysiert werden?

Faraday‘sche Gesetze

Bsp: Cu2+ + 2e- Cu d.h. 2 mol e- pro mol Cu

Die Stoffmenge des in einer Elektrolysezelle von einem elektrischen Strom gebildeten Produktes ist der Stoffmenge der zugeführten Elektronen proportional

1 mol Elektronen 96500 C mol-1 = F (Faraday Konstante)

Bsp: Silbermenge, die durch die Ladung 1 As abgeschieden wird(elektrochemisches Aequivalent des Silbers)

mAg = MAg / (z*F) = 1.118 mg A-1 s-1 z: Ladungszahl

Anwendung: Silbercoulombmeter!

Anwendungen der Elektrolyse

Bsp: Downs Prozess zur Herstellung von metallischem Na

Reaktionen und Enthalpie

Reaktionen und Enthalpie

Energie und Wärme

Die Energie eines Systems ist ein Mass für seine Fähigkeit Arbeit zu verrichten oder Wärme zu liefern. Arbeit: Energie, die aufgebracht werden muss, um ein Objekt gegen eine äussere Kraft zu bewegen Wärme: Energie, die aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen einem System und seiner Umgebung transferiert wird.

System

Umgebung

In welcher Form Energie mit der Umgebung ausgetauscht wird, hängt davon ab wie eine Reaktion durchgeführt wird :

2H2(g) +O2(g) 2H2O(g) + Energie als Wärme

In einer Brennstoffzelle:

2H2(g) +O2(g) 2H2O(g) + Energie als Arbeit

Exotherme Reaktionen setzen Wärme frei (2Al(s) + Fe2O3(s) Al2O3(s)+ 2Fe(l))

Endotherme Reaktionen nehmen Wärme auf (Ba(OH)2*8H2O(s) +NH4SCN(s) Ba(SCN)2(s) +2NH3(g) +10H2O(s))

Luminol

DH = ?

Einheit

1J = Wärme, die benötigt wird, um die Temperatur(1Joule) von 0.2390g Wasser um 1K zu erhöhen!

Aeltere Einheit, die noch viel in Gebrauch ist: 1cal = 4.184 J

Enthalpie

= Wärme die bei konstanten Druck aufgenommen oder abgegeben wird!

Die Enthalpie eines Systems nimmt ab (zu), wenn Wärme frei-gesetzt (aufgenommen) wird.(Vgl. Wasserpegel in einem Reservoir!)

Enthalpie ist eine extensive Grösse

100°C 50°C

100°C 50°C

100 kJ

400 kJ

DH = Hende - Hanfang

Exothermer Vorgang: DH < 0!Endothermer Vorgang: DH > 0!

Enthalpie als Zustandsgrösse

Def.: Eine Zustandsgrösse ist unabhängig von der Art wie eine Probe hergestellt wurde.

Bsp: Die Enthalpie von 100 g Wasser bei 25°C und 1 atm ist unabhängig davon, ob die Probe frisch synthetisiert oder durch Destillation erhalten wurde.

Enthalpie einer physikalischen Zustandsänderung

fest

flüssig

gasförmig

DHvap

DHm

DHsub

Enthalpie einer chemischenUmwandlung

CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l) DH = -890 kJ

Reaktionsenthalpie

Die Standardreaktionsenthalpie ist die Reaktionsenthalpie einerUmwandlung von Edukten in ihrem Standardzustand in Produkte in ihrem Standardzustand!

Standardzustand einer Substanz: reine Form bei einem Druck von 1 atm und der gegebenen Temperatur!

Umgekehrter Vorgang: Entgegengesetztes Vorzeichen der Enthalpieänderung

Der Satz von HessDie Reaktionsenthalpie einer gegebenen Reaktion kann als Summe der Enthalpien einer beliebigen Sequenz von Reaktionen(T,p = const.), in welche die Gesamtreaktion unterteilt werden kann, dargestellt werden.

a. 2C(s) + 2O2(g) 2CO2(g)

b. 2C(s) + O2(g) 2CO(g)c. 2CO(g) + O2(g) 2CO2(g)

a = b + c !!

2C + O2 + O2

2CO + O2

2CO2

a

b

c

-221 kJ

-566 kJ

-787 kJ

BildungsenthalpieDie Standardbildungsenthalpie DHf° einer Verbindung ist die Standardreaktionsenthalpie (pro mol der Verbindung) ihrer Synthese aus den Elementen in ihrer stabilsten Form bei 1 atm und der gegebenen Temperatur

Elemente

Enthalpie

CH4H2O

CO2

NO2

C2H2

-394

-286

-75

+33

+227

Bezug zur Standardreaktionsenthalpie

Elemente

Produkte

Edukte

DHf°

DHf°

DH°

Edukte Produkte

†

DH 0 = nDH f0(Produkte) - nDH f

0 (Edukte)ÂÂ