Grundwissenskatalog Max-Planck-Gymnasium Mnchen Pasing Stand: September 2009

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- Mittelstufe -

Charakteristisch fr 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 Teilchenverbnde

Stoffebene

BeobachtungsebenePhnomenebene

Teilchenebene

ModellebeneDeutungsebene

Phnomene in der Welt

H2O

1

Hierarchien der Grundwissensbegriffe: Bereich Stoffe

+

+

+

+

- -

--

--

-

Stoffe

Reinstoffe Stoffgemische

Verbindungen ElementeHomogene Gemische Heterogene Gemische

MolekulareStoffe

Salze Metalle Nichtmetalle

Moleklgitterz.B. Wasser

Ionengitterz.B. Natriumchlorid

Metallgitterz.B. Magnesium

Moleklgitterz.B. Iod

Atomgitterz.B. Edelgase

+

+

+

+

- -

--

--

-

Legierung

Lsung

Gasgemisch

GemengeFeststoffgemisch

Suspension

Emulsion

Nebel/Schaum

Rauch

2

Metalle

Metalle zeigen typische Eigen-schaften: Glanz Leitfhigkeit fr Wrme und

Elektrizitt 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 VerbindungEine Verbindung ist ein Reinstoff, der sich in Elemente zerlegen lsst.

Element: Ein Element lsst sich nicht weiter zerlegen. SalzeSalze sind Verbindungen, die aus Metallkationen und Nichtmetallan-ionen bestehen.

Grundwissensbegriffe Bereich: Stoffe

3

Hierarchien der Grundwissensbegriffe: Bereich Teilchen

Teilchen

Atome Molekle Ionen

AtomkernAtomhlle/

ElektronenhllePolares Molekl/

DipolmoleklUnpolaresMolekl Kationen Anionen

Protonen Neutronen Elektronen

1010

4

Atom

Das Atom ist das kleinste Teil-chen eines Elements.

Die Elektronen bilden die Atom-hlle, die Protonen und Neutronen den Atomkern.

Verhltnisformel

Die Verhltnisformel gibt das Zahlenverhltnis der Teilchen (Ionen) in der Verbindung an.Beispiele: Cu2S, NaCl,

Molekl

Molekle sind Atomverbnde, diese bestehen

bei Elementen aus gleich-artigen Atomen

bei Verbindungen aus ver-schiedenartigen Atomen

Moleklformel =

Summenformel

Die Moleklformel gibt an, wie viele Atome jeweils in einem Mo-lekl vorhanden sind. Beispiel: H2O

IonenIonen sind elektrisch geladene Atome (einfache Atomionen) bzw. Molekle (zusammenge-setzte Moleklionen).

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 Auen-elektronen

Periode (waagrecht) = Hauptenergiestufe/ Hauptenergieniveau = n

Grundwissensbegriffe Bereich: Teilchen

5

Gitter

Die regelmige Anordnung von Teilchen in einem Feststoff be-zeichnet man als Gitter.Man unterscheidet: Atomgitter Moleklgitter 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 AtomkernAbkrzung: p+

Elektron

einfach negativ geladenes Ele-mentarteilchen;Vorkommen: in der AtomhlleAbkrzung: e

Neutronen

ungeladenes Elementarteilchen;Vorkommen: im AtomkernAbkrzung: n (nicht zu verwech-seln mit Hauptenergieniveau!)

Nukleonen

Elementarteilchen, die im Atom-kern vorkommen:

Protonen und Neutronen

Polares Molekl

= Dipolmolekl

Fallen der positive und der nega-tive Ladungsschwerpunkt in ei-nem Molekl einer Verbindung nicht zusammen, so liegt ein Di-pol-Molekl vor.Beispiele: Wasserstoffchlorid-, Wasser- und Ammoniak-Molekl

unpolares Molekl

Fallen die Schwerpunkte der po-sitiven und negativen Teil-ladungen eines Molekls zusam-men, so liegt ein unpolares Mole-kl vor.Beispiele: Methan- und Kohlenstofftetrachlorid-Molekl

Grundwissensbegriffe Bereich: Teilchen

6

Elektronegativitt EN

Die Elektronegativitt ist die Ei-genschaft der Atome, Bindungs-elektronen innerhalb einer kova-lenten Bindung zu sich heranzu-ziehen. Die Atombindung ist um-so polarer, je grer die Elektro-negativittsdifferenz EN ist.

Edelgasregel

= Oktettregel

Atome knnen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen in ihren Atomhllen 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

7

Hierarchien der Grundwissensbegriffe: Bereich Reaktionen

Chemische Reaktion

Analyse Umsetzung Synthese

Bei Salzen Bei Moleklen

Elektrolyse Homolyse Heterolyse Protolyse Redoxreak-tionen IonenbildungMolekl-bildung

Oxidation Reduktion

Reduktions-mittel

Oxidations-mittelBaseSure

Saure LsungbasischeLsung

10 10

1010

10 1010 10

1010

1010

8

Chemische Reaktion:

Kennzeichen: Stoffnderung: Produkte zeigen

andere Eigenschaften als Edukte z.B. Farbe, Siedepunkt

Energieumsatz: Es muss ent-weder Energie zugefhrt 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 abluft.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 kleinstmglichen Teilchenanzahl-verhltnis 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

9

Radikale Teilchen mit ungepaarten (sog. freien) Elektronen OxidationDie Oxidation ist die Elektronen-abgabe von Teilchen.

Reduktion Die Reduktion ist die Elektronen-aufnahme von Teilchen. RedoxreaktionDie Redoxreaktion ist der Elekt-ronenbergang 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 Molekl die Bindungselektro-nen dem jeweils elektronegativeren Partner zu-schlgt.)

Erhhung der Oxidationszahl: Oxidation Erniedrigung der Oxidationszahl: Reduktion.

Grundwissensbegriffe Bereich: Reaktionen

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Protolyse

Sure-Base-Reaktionen oder Protolysen sind Protonenber-gnge zwischen Suren und Basen.

NeutralisationDie Protolyse zwischen Oxonium-Ionen und Hydroxid-Ionen nennt man Neutralisation.

(Brnsted)-Sure

Suren sind Teilchen, die Protonen abgeben: Protonendonatoren

Beispiel: Wasserstoffchlorid-Molekl

(Brnsted)- Base

Basen sind Teilchen, die Protonen aufnehmen: Protonenakzeptoren

Beispiel: Ammoniak-Molekl, Oxid-Ion

Saure LsungSaure Lsungen sind Lsungen, die Oxonium-Ionen enthalten. n(H3O+) > n(OH-)

basische Lsung= alkalische Lsung

(= Lauge)

Basische Lsungen sind Lsun-gen, die Hydroxid-Ionen enthal-ten.

Beispiele: Ammoniak-Wasser, Natronlauge; n(H3O+) < n(OH-)

Neutrale Lsung

Bei einer neutralen Lsung sind die Stoffmengen der Oxonium-und der Hydroxid-Ionen gleich: n (H3O+) = n (OH-).

Ampholyt

Ampholyte sind Teilchen, die so-wohl als Sure als auch als Base fungieren knnen.

Beispiel: Wasser-Molekl

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 Krfte

(Dipol-Dipol-WW)

Ion-Dipol-WW

Polare Atombin-dung

Unpolare Atom-bindung

Van-der-Waals-Krfte

Wasserstoffbr-ckenbindung

10 10

10

10 10

10 10

12

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-Atomrmpfen 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 Molekl oder Molekl-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-Krfte

Van-der-Waals-Krfte sind sehr schwache intermolekulare An-ziehungskrfte. Sie entstehen bei unpolaren Moleklen zwischen induzierten Dipolen.

Wasserstoffbrcken-

bindung

Wasserstoffbrckenbindungen sind intermolekulare Bindungen, die zwi-schen dem stark positiv polarisierten Wasserstoffatom eines Molekls und einem stark negativ polarisiertem Atom eines zweiten Molekls zustande kom-men.

HydratationDie Hydratation ist die Anlage-rung von Wasser-Moleklen um die Teilchen des im Wasser ge-lsten Stoffes.

Grundwissensbegriffe Bereich: Wechselwirkungen

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AktivierungsenergieDie zur Auslsung 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 Wrme abgegeben, so bezeichnet man ihn als exotherm.Der Energiegehalt des Systems nimmt ab, weshalb der Betrag ein negatives Vorzeichen erhlt.

endotherm

Wird bei einem Vorgang Wrme zugefhrt, so bezeichnet man ihn als endotherm.Der Energiegehalt des Systems nimmt zu, weshalb der Betrag ein positives Vorzeichen erhlt.

Energiediagramm einer exothermen Reaktion Energiediagramm einer

endothermen Reaktion

Grundwissensbegriffe Bereich: EnergieReaktionsverlauf

Magnesium + Kohlenstoffdioxid

Magnesiumoxid +Kohlenstoff

aktivierter Zustand

Reaktionsenergie, die hier in Form von Wrme abgegeben wird

EA>0 AktivierungsenergieEnergiedifferenz zwischen aktiviertemZustand und Edukten ; die reaktions-trgen Edukte mssen aktiviert werden

0 AktivierungsenergieEnergiedifferenz zwischen aktiviertemZustand und Edukten ; die reaktions-trgen Edukte mssen 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

14

Hierarchien der Grundwissensbegriffe: Bereich Gren

Gren

Umrechnungsgren Quantittsgren Gehaltsgren

Molare Masse M

Molares Volumen Vm

Avogadro-Konstante NA Masse m

Volumen V

Teilchenanzahl N

Stoffmenge n

Stoffmengenkonzentration c

10

15

Teilchenmasse

(Atom-, Molekl-, Ionen-masse)

Die Masse eines Teilchens (Atom, Molekl, 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-lekle, Ionen) in einer Stoffporti-on an.

Stoffmenge n

= Gre, mit der die Teilchenzahl einer Stoffportion beschrieben wird.

Einheit [n] = mol

Eine Stoffportion der Stoffmenge 1mol enthlt 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, Molekle, Ionen) besteht.

Molare Masse M

Die molare Masse ist der Quotient aus der Masse einer Stoffportion und der zugehri-gen Stoffmenge:

)()(

)(XnXmXM ;

molg

M 1

Die molare Masse ist abhngig von der Stoffart.Der Zahlenwert der Teilchenmasse ist gleich dem Zahlenwert der molaren Masse.

Avogadro-Konstante NADie Avogadro-Konstante hat fr 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 zugehrigen Stoffmenge:

;)()(

)(XnXVXVm mol

lVm 1][

Fr Gase betrgt das molare Volumen

mollVM 4,22

Stoffmengenkonzentration c

Die Stoffmengenkonzentration c(X) eines gelsten 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: Gren

Energieverlaufsdiagramme

Reaktionsverlauf

Magnesium + Kohlenstoffdioxid

Magnesiumoxid +Kohlenstoff

aktivierter Zustand

Reaktionsenergie, die hier in Form von Wrme abgegeben wird

EA>0 AktivierungsenergieEnergiedifferenz zwischen aktiviertemZustand und Edukten ; die reaktions-trgen Edukte mssen aktiviert werden

0 AktivierungsenergieEnergiedifferenz zwischen aktiviertemZustand und Edukten ; die reaktions-trgen Edukte mssen aktiviert werden

0 AktivierungsenergieEnergiedifferenz zwischen aktiviertemZustand und Edukten ; die reaktions-trgen Edukte mssen 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